Download análisis de las fallas causadas por accionamientos de frecuencia

ANÁLISIS DE LAS FALLAS CAUSADAS POR ACCIONAMIENTOS DE
FRECUENCIA VARIABLE EN LOS RODAMIENTOS DE MOTORES DE
INDUCCIÓN.
JUAN CARLOS CALDERÓN SIERRA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA
PROGRAMA INGENIERÍA ELÉCTRICA
SANTIAGO DE CALI
2009
ANÁLISIS DE LAS FALLAS CAUSADAS POR ACCIONAMIENTOS DE
FRECUENCIA VARIABLE EN LOS RODAMIENTOS DE MOTORES DE
INDUCCIÓN
Juan Carlos Calderón Sierra
Trabajo de Grado para optar por el titulo de
Ingeniero Electricista
Director
Ing. Enrique Ciro Quispe Oqueña, m.s.c.
Profesor facultad Ingeniería Eléctrica
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA
PROGRAMA INGENIERÍA ELÉCTRICA
SANTIAGO DE CALI
2009
2
Nota de Aceptación:
Trabajo aprobado por el comité de
grado en cumplimiento de los
requisitos exigidos por la Universidad
Autónoma de Occidente para optar el
titulo de ingeniero electricista
_____________________
Jurado
______________________
Jurado
Santiago de Cali, Noviembre de 2009
3
AGRADECIMIENTOS
Gracias a todos aquellos que de una u otra forma, colaboraron para que este
trabajo llegara a feliz término.
Carlitos, fuente inicial de inspiración; Tannjost, HéctorS, KFSanchez, Nelson
Montoya, Lunita, Hrtoro, Jorgew, por sus aportes, colaboración y comprensión.
4
CONTENIDO
Pág.
RESUMEN
14
INTRODUCCIÓN
15
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
17
2. OBJETIVOS
19
2.1 OBJETIVO GENERAL
19
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
19
3. DISPOSITIVOS QUE INTERVIENEN EN EL FENOMENO
20
3.1 MOTOR DE INDUCCIÓN
20
3.2 VARIADOR DE FRECUENCIA
22
3.2.1 Modulación por ancho de pulso PWM
25
3.2.2 Inversor de voltaje variable VVI.
27
3.2.3 Inversor de Fuente de Corriente CSI
29
3.3 INTERRELACION ENTRE EL MOTOR Y EL VARIADOR
30
4. ORIGEN DEL FENÓMENO DE CORRIENTES A TRAVÉS DE LOS
RODAMIENTOS CAUSADO POR LOS VARIADORES
32
4.1 CORRIENTES CAUSADAS POR VOLTAJE DE MODO COMÚN
34
4.2 CORRIENTES CAUSADAS POR EL EFECTO CAPACITIVO
37
4.2.1 Falla en el rodamiento por paso de corriente eléctrica.
43
5. METODOLOGIA DE DIAGNOSTICO BASADO EN LA CONDICIÓN DE
OPERACIÓN DEL MOTOR
54
5
5.1 ANÁLISIS DE LA VIBRACIÓN MECÁNICA
54
5.1.1 Teoría general sobre análisis de la vibración
54
5.1.2 Trasformada rápida de Fourier FFT
57
5.1.3 Parámetros de configuración en el equipo de recolección de
vibraciones.
59
5.1.4 Diagnóstico de la falla en el rodamiento por paso de corriente.
60
5.2 ANÁLISIS DE CORRIENTE Y VOLTAJE EN EL EJE.
63
5.2.1 Advertencias de seguridad y recomendaciones.
63
5.2.2 Sensor de voltaje sobre el eje
64
5.2.3 Detector de descargas eléctricas
66
6. RECOMENDACIONES PARA MITIGAR O CONTROLAR EL PROBLEMA
68
6.1 SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Y CABLEADO DE ALIMENTACIÓN
68
6.2 EJE CON CONEXIÓN A TIERRA A TRAVES DE UN ARO
70
6.3 INSTALACION DE RODAMIENTOS AISLADOS
72
6.3.1 Comportamiento eléctrico del rodamiento
74
6.3.2 Donde instalar el rodamiento aislado
75
6.4 INSTALACION DE RODAMIENTOS HÍBRIDOS
77
6.5 APLICACIÓN DE GRASA CONDUCTORA
79
6.6 UTILIZACION DE JAULAS DE FARADAY EN EL MOTOR
80
6.7 INSTALACION DE FILTROS EN EL VARIADOR DE FRECUENCIA
81
6.7.1Reactores dv/dt.
81
6.7.2 Filtros Sinusoidales
82
6.7.3 Filtros dv/dt. Los filtros dv/dt
83
6
6.7.4 Supresores de modo común
84
6.7.5 Filtros de modo común
84
6.8 UTILIZACION DE ACOPLES AISLADOS ELECTRICAMENTE PARA LA
TRANSMISION DE LA POTENCIA MECANICA
85
7.CASOS DE APLICACIÓN: FALLA EN RODAMIENTOS POR PASO
DE CORRIENTE ELÉCTRICA
87
7.1 CASO 1 – JUNIO DE 2009
87
7.2 DATOS DE LOS EQUIPOS DEL SISTEMA
87
7.2.1 Motor.
87
7.2.2 Variador de frecuencia.
88
7.2.3 Bomba
89
7.3 ANÁLISIS DE LOS DATOS TOMADOS EN CAMPO
89
7.4 CASO 2 – FEBRERO DE 2005
91
8. CONCLUSIONES
96
BIBLIOGRAFÍA
98
7
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Corte transversal de un Motor Trifásico de inducción AC
20
Figura 2. Jaula de Ardilla en un Rotor de un Motor de Inducción AC
21
Figura 3. Campo magnético giratorio
22
Figura 4. Drive de Frecuencia Variable tipo PWM
23
Figura 5. Relación Lineal Voltaje/Frecuencia en un motor AC
24
Figura 6. Frecuencia de salida del variador Vs Torque del motor
25
Figura 7. Forma de Onda de la salida PWM (Voltaje y Corriente)
26
Figura 8. Creación de la Frecuencia y el Voltaje desde el PWM
27
Figura 9. Diagrama de bloques de un Drive VVI
27
Figura 10. Formas de onda de voltaje y corriente VVI
28
Figura 11. Diagrama de bloques de un Drive CSI
29
Figura 12. Formas de onda de voltaje y corriente CSI
29
Figura 13. Diferentes tipo de interface Hombre-Máquina
30
Figura 14. Respuesta típica de voltaje en terminales del motor.
31
Figura 15. Corriente de alta frecuencia a tierra por el eje.
33
Figura 16. Camino de circulación de las corrientes de alta frecuencia
34
Figura 17. Voltajes de fase en una típica alimentación PWM y el promedio o
voltaje en el punto neutro.
35
Figura 18. Formas de onda típicas para el voltaje de modo común y el voltaje
en el eje. (Escala horizontal 40µS/DIV)
36
Figura 19. Corriente de modo común a la salida de un variador de frecuencia.
37
Figura 20. Acoples Capacitivos en una Máquina Eléctrica
38
8
Figura 21. Lazo simplificado de la corriente de modo común de un variador de
frecuencia PWM y un motor de inducción AC
39
Figura 22. Circulación de Corrientes en el sistema Variador de frecuenciaMotor-Engranaje-Carga.
40
Figura 23. Fuente de la circulación de corriente de alta frecuencia por los
rodamientos.
41
Figura 24. Tensión de alta frecuencia en el eje como resultado del efecto
transformador
42
Figura 25. Corrientes parasitas, Nótese el el lazo de corriente fuera del motor.
42
Figura 26. Lazo en modo común de un variador de frecuencia.
43
Figura 27. Voltaje en el eje sin la presencia de corriente en el rodamiento
10 V/DIV - 25 µS/DIV
44
Figura 28. Arriba, Voltaje en el eje 25 V/DIV – 5 µS/DIV. Abajo, Corriente en el
rodamiento 500 mA/DIV - 5 µS/DIV
45
Figura 29. Picaduras por arco eléctrico localizadas en la pista interna de un
rodamiento rígido de una hilera de bolas.
45
Figura 30. Picadura por arco eléctrico localizada en la pista interna de un
rodamiento. Diámetro: Un micrón (1 µm)
46
Figura 31. Micrografía de la estructura del daño
46
Figura 32. Microscopio Electrónico de Barrido
47
Figura 33. Expectativa de vida de un rodamiento con problemas de
arco eléctrico
49
Figura 34. Pista interna de un rodamiento rígido de bolas. Daño a Causa de
Paso de Corriente Eléctrica.
50
Figura 35. Surcos en el camino de rodadura del rodamiento.
50
Figura 36. Anillo interno de rodamiento de rodillos cónicos. Daño a Causa de
Paso de Corriente Eléctrica
51
Figura 37 Rodamiento de un ferrocarril, dañado por el paso de una
alta corriente, mientras el rodamiento no estaba trabajando
51
9
Figura 38. Rodillo de un rodamiento de un ferrocarril, dañado por el paso de
corriente.
52
Figura 39. Superficie de color mate de la bola del lado izquierdo, denota
microcraterización
52
Figura 40. Bolas de rodamiento rígido de una hilera de bolas afectado por
paso de corriente
53
Figura 41. Grasa negra descolorida, afectada por descargas de corriente
53
Figura 42. Acelerómetro Piezoeléctrico 786A tipo estándar, para propósito
general
55
Figura 43. Respuesta general en frecuencia del acelerómetro
55
Figura 44. Respuesta en frecuencia, según el tipo de montaje
56
Figura 45. CSI 2130 Machinery Health Analyzer
57
Figura 46. Dominio del Tiempo y dominio de la frecuencia
58
Figura 47. Forma de Onda en el Tiempo y su Espectro equivalente en
frecuencia
58
Figura 48. paso del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia a través de
descomposición de sus componentes.
59
Figura 49. Resolución FFT
59
Figura 50. Muestreo digital y Aliasing
60
Figura 51. Captura de la señal de vibración
60
Figura 52. Espectro de Vibración de alta frecuencia, mostrando ‘Fluting’
61
Figura 53. Espectro de Vibración de alta frecuencia, mostrando ‘Fluting’,
62
Figura 54. Señal Industrial de Peligro por partes en movimiento
63
Figura 55. Sensor de voltaje y corriente sobre el Eje CSI Modelo 348SP
64
Figura 56. sensor de micro fibra conductora AEGIS SVP™ con osciloscopio
digital Fluke 199C
65
Figura 57. Descargas eléctricas en el eje de un motor eléctrico de inducción
65
10
Figura 58. Detector de descargas eléctricas SKF TKED 1
66
Figura 59. Medición de la cantidad de descargas eléctricas.
67
Figura 60. Sistema apropiado de aterrizaje en el sistema.
68
Figura 61. cable con recubrimiento corrugado interno de aluminio
69
Figura 62. Anillo de desvío de corriente
70
Figura 63. Tipos de montaje para el anillo de desvío de corriente.
71
Figura 64. Sello para motor con puesta a tierra
71
Figura 65. Medición de voltaje en el eje de un motor, con aro de aterrizaje.
72
Figura 66. Rodamiento Aislado. Nótese el corte en sección de la capa aislada
en ambas pistas.
73
Figura 67. pulverizado de plasma
73
Figura 68. Modelo esquemático de un rodamiento aislado y su circuito eléctrico
equivalente.
75
Figura 69. Impedancia y Capacitancia en función de la frecuencia para un
rodamiento aislado SKF INSOCOAT® 6316
75
Figura 70. Rodamiento aislado rígido de bolas, recubierto en su aro exterior.
76
Figura 71. Rodamiento Híbrido
78
Figura 72. Precauciones generales a tener en cuenta con los rodamientos.
78
Figura 73. Avión Impactado por una descarga atmosférica en Osaka Japón.
80
Figura 74. Motor con tecnología CurrentShield® que incorpora una jaula de
Faraday.
81
Figura 75. Reactor dv/dt
82
Figura 76. Filtro Sinusoidal
83
Figura 77. Filtro dv/dt
83
Figura 78. Supresor de modo común
84
Figura 79. Filtro de modo común.
85
11
Figura 80. Corrientes que viajan por el acople de la maquina
85
Figura 81. Acople aislado Falk Tipo GP
86
Figura 82. Conjunto motor y bomba del formador No1
87
Figura 83. Motor con problemas de paso de corriente a través de los
rodamientos
88
Figura 84. Variador de frecuencia Allen Bradley Bradley. Serie 1336 Plus II.
88
Figura 85. Bobina trifásica de entrada al variador de frecuencia
89
Figura 86. Tendencia de las últimas tres mediciones.
90
Figura 87. Espectro del punto más crítico.
90
Figura 88. Rodamiento lado acople SKF 6313-2Z.
91
Figura 89. Rodamiento lado acople SKF 6313-2Z
91
Figura 90. Mesa de formación de la Máquina Papelera No 4
92
Figura 91. Espectro de vibración rodamiento lado acople del reductor con falla
en pista externa del BPFO
93
Figura 92. Aviso de Mantenimiento en el sistema SAP
93
Figura 93. Aviso de Mantenimiento en el sistema SAP
94
Figura 94. Falla en la pista externa por paso de corriente
94
Figura 95. Evidencia de ‘fluting’ por paso de corriente a través del rodamiento
95
12
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Comportamiento eléctrico de rodamientos insocoat® en
aplicaciones dc y ac
13
74
RESUMEN
En este trabajo, se pueden encontrar los componentes involucrados con las fallas
en rodamientos por paso de corriente en motores de inducción alimentados por
variadores de frecuencia.
En la primera parte del trabajo, se hace una aproximación a estos componentes,
El motor de inducción de corriente alterna y el accionamiento de velocidad
variable; y por último, una mirada a la interacción entre estos dos dispositivos.
Luego, se hace introduce al lector, a los mecanismos de falla, de los rodamientos,
por paso de corriente, haciendo énfasis en aquellas fallas que son causadas
principalmente por accionamientos de velocidad variable, pues no todas las
corrientes que pasan a través de los rodamientos, tienen su origen en este tipo de
accionamientos.
A continuación, se presentan los métodos de diagnostico para encontrar este tipo
de fallas en los motores. Estas herramientas, permiten una planeación del
mantenimiento a los equipos, evitando paradas no programadas. En esta sección
se encuentran algunos equipos que son novedad ahora mismo en el mercado y
que prometen ser el próximo paso en el diagnostico a tiempo de las fallas objeto
de estudio.
En la siguiente sección, se hace un resumen de los métodos para mitigar o
controlar este tipo de fenómenos en los motores de inducción.
Algunos de ellos, son internos o de construcción del motor, otros, tienen que ver
con el tipo de rodamiento utilizado y algunos mas, buscan mejorar el estado
general de las puestas a tierra del sistema.
Por último, el trabajo muestra casos documentados, en la industria, que muestran
cómo afecta el fenómeno a los motores de inducción alimentados por
accionamientos de frecuencia variable.
14
INTRODUCCIÓN
El control de procesos y el ahorro de energía son las dos razones fundamentales
para usar motores eléctricos con sistemas de velocidad variable en la industria.
Un funcionamiento más suave, control de aceleración, diferentes velocidades de
operación para diferentes productos en un mismo proceso (ej. calibres de papel),
operación lenta para configuración del proceso, ajuste en la rata de producción,
posicionamiento preciso, control de torque, son entre otros, algunos beneficios de
la operación a velocidades variables.
De igual manera, el ahorro de energía al usar accionamientos de frecuencia
variable es muy apreciado, por ejemplo, cuando un ventilador operara a una
velocidad fija, suele suceder que el flujo de aire es más grande del necesario,
debiendo recurrir a sistemas mecánicos como amortiguadores o “dampers”. Es
mucho más eficiente energéticamente regular el flujo de aire, variando la velocidad
del motor. Por leyes de afinidad, reducir la velocidad del ventilador al 50% resulta
en una reducción del consumo de potencia de 12.5%.
Otra ventaja del uso del variadores o accionamientos de frecuencia variable es el
arranque suave de los motores, cuando el motor es accionado directamente a
pleno voltaje, inicialmente alcanza por lo menos 300% de su corriente nominal. A
medida que la carga acelera, el torque disponible usualmente cae un poco y
entonces alcanza su máximo, mientras que la corriente sigue muy alta hasta que
el motor alcanza su velocidad nominal.
Por el contrario, cuando el motor arranca desde un variador de frecuencia, este
inicialmente aplica una baja frecuencia (2 Hz o menos) y un bajo voltaje al motor,
con lo cual se evita la alta corriente de arranque del motor. Luego de arrancar el
motor, la frecuencia y el voltaje se incrementan de manera controlada para
acelerar la carga sin tener un aumento excesivo en la corriente.
Este método de arranque permite que el motor desarrolle el 150% de su torque
nominal, mientras que toma menos del 50% de su corriente nominal, por tal razón,
al usar un variador de frecuencia, también se pueden obtener grandes ahorros de
energía, como se mencionó anteriormente.
Su uso se ha difundido en la industria durante las últimas décadas y gracias
también al advenimiento de nuevas tecnologías en la electrónica de potencia que
los han hecho más asequibles.
Pero el uso masivo de estos variadores de velocidad también ha traído consigo
problemas, que han sido objeto de estudio en los últimos años.
15
Este trabajo tiene como fin el estudio de las fallas atribuidas al paso de corriente
eléctrica en los rodamientos de los motores de inducción accionados por
variadores de frecuencia.
Esta es una falla típica en motores en un rango de potencias que van desde 30HP
hasta 300HP y velocidad nominal 1800rpm en equipos de la transmisión de las
máquinas papeleras, que son alimentados por accionamientos de frecuencia
variable.
Esta ha sido una falla que afecta los motores eléctricos sin que se conociera
mucho sobre el particular, solo en los últimos años se ha prestado la suficiente
atención al tema debido a los tiempos perdidos de producción y los elevados
costos de mantenimiento de motores.
El objetivo principal de este estudio es dar a conocer los mecanismos de falla y las
alternativas para mitigar o prevenir su ocurrencia, en un ambiente industrial cada
día más competitivo, donde el mercado no solo es a nivel latinoamericano sino a
nivel mundial.
16
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El control de procesos y el ahorro de la energía son las dos de las principales
razones para el empleo de variadores de frecuencia (variable frecuency drives o
VFD´s en el control de velocidad de los motores eléctricos. El desarrollo de
dispositivos semiconductores como los IGBT´s o los SCR´s han propiciado su uso
masivo.
Una gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna como bombas
centrifugas, ventiladores, líneas de producción, maquinas papeleras, enrolladotas,
trenes laminadores, mecanismos de elevación, máquinas-herramientas, etc.
funcionan a velocidades variables; En los mismos se requiere un control preciso
de la velocidad para lograr una adecuada productividad, calidad en el producto
terminado, garantizar la seguridad de personas y bienes y la prevención de la
contaminación ambiental.
Asociado al uso de variadores de frecuencia, existen los fenómenos conocidos
como paso de corriente en los rodamientos de los motores. Cada año son muchos
los motores accionados por variadores de frecuencia que fallan debido a este tipo
de fenómenos.
Esta es una problemática que afecta a muchas industrias, entre ellas la industria
papelera, las cuales se ven enfrentadas a tiempos perdidos, perdidas en la
producción y daño en sus motores debido a este tipo de fenómenos.
Los voltajes en el eje pueden resultar en un flujo de corriente destructivo a traves
de los rodamientos del motor, los cuales se manifiestan por picaduras en las pistas
de los rodamientos, el cual lleva a eventuales fallas de los mismos.
En motores más grandes, usualmente frames o carcazas 500, estos voltajes
pueden estar presentes bajo una operación sinusoidal y son causados por
disimetrías magnéticas en la construcción del mismo. Esto resulta en la
generación de un voltaje en el eje. El camino de la corriente en este caso es desde
la carcaza del motor, a través del rodamiento, al eje del motor, sigue por el eje del
motor hasta el otro rodamiento y luego, de nuevo a la carcaza del motor. Este tipo
de corrientes pueden ser interrumpidas usando en uno de los apoyos del rotor, un
rodamiento aislado.
En muchas ocasiones, pueden aparecer corrientes a través de los rodamientos, en
motores pequeños, que son alimentados con variadores de frecuencia, sin
embargo, la causa raíz es diferente, estos accionamientos pueden generar voltaje
de modo común, el cual mueve o altera los potenciales trifásicos de neutro en el
17
bobinado, significativamente con respecto a tierra. Este voltaje de modo común,
oscila a alta frecuencia y produce acoples capacitivos entre el rotor y el estator.
El camino de la corriente puede ser a través de cualquiera de los rodamientos, o
ambos, a tierra; por lo que interrumpir esta corriente requiere entonces de ambos
rodamientos aislados. Cabe anotar que al instalar ambos rodamientos aislados en
el motor, no se previene el daño en otros equipos acoplados al mismo. Es posible
también conducir la corriente directamente a tierra a través de escobillas
conectadas al eje.
Las preguntas a resolver en este proyecto son:
• Cuál es la causa que genera el paso de corriente a través de los rodamientos.
• Que metodología existe para diagnosticar el paso de corriente a través de los
rodamientos.
• Como se pueden mitigar o evitar el paso de corriente a través de los
rodamientos.
18
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Estudiar las fallas en los rodamientos de los motores de inducción, alimentados
por accionamientos de frecuencia variable y proponer alternativas de solución ante
la presencia de este tipo de fenómenos.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Explicar el fenómeno que produce la tecnología PWM en los rodamientos de
los motores eléctricos de inducción.
• Caracterizar las fallas que los variadores de frecuencia producen en los
rodamientos de las maquinas.
• Proponer alternativas de solución ante la presencia de este tipo de fenómenos
en los motores de una planta papelera.
• Presentar los métodos de análisis de fallas basados en la condición física del
equipo.
• Presentar casos históricos de fallas en rodamientos causadas por variadores
de frecuencia que ayuden a futuros diagnósticos.
19
3. DISPOSITIVOS QUE INTERVIENEN EN EL FENOMENO
3.1 MOTOR DE INDUCCIÓN
Un motor eléctrico, es una máquina que transforma energía eléctrica en energía
mecánica, debido a la interacción de conductores con corriente en presencia un
campo magnético.
El motor de inducción de corriente alterna (Figura 1), es el motor mas ampliamente
usado en la industria. Su uso ha sido preferido por su sencillez, bajo costo y
eficiencia, así como su facilidad de mantenimiento.
Figura 1. Corte transversal de un Motor Trifásico de inducción AC
Fuente: Motor Construction [en línea]. USA: Reliance Electric, 2010. [Consultado
el
20
de
abril
de
2009]
Disponible
en
Internet:
http://www.reliance.com/mtr/images/cutaway.gif
20
Los bobinados trifásicos, se insertan en ranuras de hierro en estator, y el rotor,
consiste en un núcleo cilíndrico de hierro, con conductores unidos entre si, por un
anillo. A este tipo de construcción de rotor, se le conoce como jaula de ardilla. Ver
Figura 2
Figura 2. Jaula de Ardilla en un Rotor de un Motor de Inducción AC
Fuente: Motor de Jaula [en línea]. España: Proyecto de ingeniería inversa, 2007.
[Consultado el
20 de abril
de 2009] Disponible en Internet:
http://grupo5.files.wordpress.com/2007/04/motor-de-jaula.gif
Su principio de funcionamiento establece que si un conductor por el cual circula
una corriente eléctrica se encuentra en presencia de un campo magnético, éste
tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo
magnético. El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la
corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera
propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos
ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor.
La operación básica del motor de inducción, puede ser posible, si se asume que
los bobinados del estator, están alimentados por una fuente trifásica sinusoidal, la
cual es responsable de producir el campo magnético giratorio, a través del
entrehierro del motor. La Figura 3, muestra el efecto, en seis instantes de tiempo,
en un mismo ciclo. En el instante t1, la corriente en la fase a tiene un máximo
positivo, mientras que en las demás fases, el valor de corriente la mitad de este
valor y negativo. El resultado es un campo magnético con una distribución
aproximadamente sinusoidal, alrededor del entrehierro, con un máximo valor hacia
el exterior en la parte superior y con un valor máximo hacia el interior en la parte
inferior. En el instante t2, por ejemplo, un sexto de ciclo después, la corriente en la
fase c es máxima positiva, mientras que en las fases a y b, tiene la mitad de este
valor, de magnitud positiva, el resultado es un campo magnético, rotado 60° en el
sentido contrario a las manecillas del reloj. Examinando la distribución, para los
instantes t3, t4, t5, y t6; se nota que el campo magnético, continúa rotando. El
campo completa una revolución en un ciclo de las corrientes del estator.
21
El movimiento rotacional del campo magnético con respecto a los conductores del
rotor, genera un voltaje inducido en cada uno de ellos. Debido a que los
conductores del rotor están cortocircuitados por un anillo, se generará un flujo de
corriente a través de ellos. Esta corriente tiene una distribución aproximadamente
sinusoidal alrededor de la periferia del rotor y produce un torque en él, en el
sentido contrario a las manecillas del reloj. Este torque, acelera el rotor y hace que
se mueva la carga mecánica acoplada al eje. A medida que la velocidad del rotor
aumenta, su velocidad relativa con el campo magnético giratorio disminuye, por lo
tanto, el voltaje inducido disminuye, llevando a una reducción en la corriente en los
conductores del rotor y el torque.
Figura 3. Campo magnético giratorio
Fuente: Enciclopedia Británica - The Online Encyclopedia [en línea]. Chicago,
Illinois: Encyclopædia Britannica, Inc, 2010. [Consultado el 20 de abril de 2009].
Disponible en Internet: http://www.britannica.com/
3.2 VARIADOR DE FRECUENCIA
Un accionamiento de frecuencia variable VFD es un dispositivo electrónico de
conversión de potencia de estado sólido.
Su funcionamiento típico consiste en primera instancia en una conversión o
rectificación de la señal de potencia AC de entrada a una señal DC usando un
22
puente rectificador (por lo general se utilizan puentes trifásicos de diodos). La
potencia intermedia DC se convierte entonces en una señal de potencia AC cuasisinusoidal usando un circuito inversor, siendo el transistor bipolar de puerta
aislada IGBT, el dispositivo más utilizado en la mayoría de variadores de
frecuencia Ver Figura 4.
Figura 4 Drive de Frecuencia Variable tipo PWM
Fuente: POLKA, Dave. What is a motor drive?: A Primer. [en línea], New Berlin,
Wisconsin, USA: ABB Press Release, 2006 [Consultado el 2 de mayo de 2009]
Disponible en Internet: http://www.abb.us/drives
La velocidad del motor de inducción AC responde a la
Ecuación 1,
donde f es la frecuencia de alimentación y p el número de polos del mismo.
Ecuación 1
Esta ecuación muestra que es posible ajustar la velocidad de un motor de
inducción AC cambiando la frecuencia aplicada al motor. También es posible
ajustar la velocidad del motor variando el número de polos, lo cual implica un
cambio físico en el motor, que requiere una construcción especial y no brinda una
amplia gama de velocidades.
De manera que por conveniencia, costo beneficio y precisión, se varía la
frecuencia de alimentación del motor para lograr el cambio de velocidad.
23
Las características del motor de inducción AC requieren que el voltaje aplicado
sea ajustado de manera proporcional siempre que haya un cambio en frecuencia,
para desarrollar el torque nominal. La Figura 5 muestra la característica del
desarrollo de torque en un motor de inducción, esto es, la relación voltios o tensión
de alimentación por Hertz o frecuencia de alimentación (V/Hz) o (U/f).
Esta relación se cambia para variar el torque del motor. Por ejemplo, un motor de
inducción conectado a una fuente de alimentación de 460V y una frecuencia de 60
Hz tiene una relación V/Hz de 7,67. En la medida en la que esta relación
permanezca en esta proporción, el motor desarrollará el torque nominal.
Un variador de frecuencia o drive proporciona diferentes frecuencias de salida, es
de anotar que en cada frecuencia de salida, se obtiene una nueva curva de torque.
Figura 5 Relación Lineal Voltaje/Frecuencia en un motor AC
Fuente: POLKA, Dave. What is a motor drive?: A Primer. [en línea], New Berlin,
Wisconsin, USA: ABB Press Release, 2006 [Consultado el 2 de mayo de 2009]
Disponible en Internet: http://www.abb.us/drives
Por ejemplo, si un motor se diseña para operar a 460V y 60Hz, la tensión aplicada
debe ser reducida a 230V cuando la frecuencia se reduce a 30Hz. Esta relación
puede variar para cambiar el torque entregado por el motor.
Un variador de frecuencia provee diferentes frecuencias de salida, como se ve en
la Figura 6. A cada frecuencia de salida dada, se establece una curva de torque
diferente. El punto de operación típico es donde la curva intercepta el valor 100%
o torque nominal.
24
Figura 6 Frecuencia de salida del variador Vs Torque del motor
Fuente: Motors and Drives. A Practical Technology Guide. North Carolina, USA:
ISA- Instrumentation, Systems, and Automation Society. 2003.
Adicional a este simple control U/f, existen otros métodos de control más
avanzados, tales como el control vectorizado y el control de torque directo DTC.
Estos métodos ajustan el voltaje de alimentación de tal manera que el flujo
magnético y el torque del motor puedan ser controlados de manera precisa.
3.2.1 Modulación por ancho de pulso PWM El método más común de lograr la
variación de voltaje y frecuencia se conoce como modulación por ancho de pulso
PWM. Con el control de voltaje PWM, los disparos del inversor se usan para
construir una onda se salida cuasi-sinusoidal formada por una serie de pulsos
angostos de voltaje con duraciones del pulso sinusoidal variables.
Los inversores modernos utilizan dispositivos de potencia llamados transistores
bipolares de puerta aislada IGBT para generar los disparos de encendido y
apagado en el Bus DC en los intervalos especificados, de esta manera, el inversor
genera una salida variable AC de voltaje y frecuencia. La salida del drive no
provee una réplica exacta de la forma de onda de entrada AC sinusoidal, en vez
de ello, provee pulsos de voltaje de magnitud constante. Ver Figura 7.
El controlador del variador de frecuencia, guía los disparos de los dispositivos de
potencia para que entren en la mitad positiva o negativa de la forma de onda. Este
cambio alternativo entre disparos positivos y negativos recrea la salida trifásica.
Si se tiene una mayor duración del dispositivo de potencia en ON se tendrá un
voltaje de salida mayor y viceversa.
25
Figura 7 Forma de Onda de la salida PWM (Voltaje y Corriente)
Fuente: POLKA, Dave. What is a motor drive?: A Primer. [en línea], New Berlin,
Wisconsin, USA: ABB Press Release, 2006 [Consultado el 2 de mayo de 2009]
Disponible en Internet: http://www.abb.us/drives
De igual manera, si se tiene una mayor duración del dispositivo de potencia en
OFF, la frecuencia de salida será menor. Ver Figura 8
La velocidad a la que los dispositivos de potencia alternan entre ON y OFF se
conoce como frecuencia portadora o frecuencia de disparo. A mayor frecuencia de
disparo se tendrá mayor resolución de cada pulso contenido en el PWM.
Las frecuencias típicas de disparo están alrededor de 3,000 a 4,000 veces por
segundo (3KHz a 4KHz). En los viejos drives basados en SCR, se tenían
frecuencias de disparo de 250 a 500 veces por segundo.
La operación por encima de la velocidad sincrónica
(
Ecuación 1)
es posible, pero está limitada a condiciones que no requieran más potencia que la
nominal de placa del motor. A menudo esto se conoce como "debilitamiento del
campo" y para motores AC, consiste en operar en una relación menor de V/Hz que
la nominal y por encima de la velocidad sincrónica.
A 460V, la distancia máxima del cable recomendada entre el VFD y el motor
puede variar en un factor de 2.5:1. Las distancias mayores están permitidas para
frecuencias portadoras de disparo (CSF) de 2.5 kHz. Las frecuencias portadoras
de disparo bajas pueden producir ruido audible en los motores. Las frecuencias
26
CSF entre 2.5 kHz y 5 kHz causan menos problemas en los rodamientos del motor
que los causados por frecuencias CSF de 20 kHz.
Figura 8. Creación de la Frecuencia y el Voltaje desde el PWM
Fuente: POLKA, Dave. What is a motor drive?: A Primer. [en línea], New Berlin,
Wisconsin, USA: ABB Press Release, 2006 [Consultado el 2 de mayo de 2009]
Disponible en Internet: http://www.abb.us/drives
3.2.2 Inversor de voltaje variable VVI. Este diseño toma el voltaje de la fuente
de alimentación AC, la rectifica y envía el voltaje variable al bus DC y a la etapa
del inversor. Esta etapa hace la conversión del voltaje variable DC a un voltaje
variable AC de frecuencia variable. En la Figura 9 se observa un diagrama de
bloques de este tipo de control.
Figura 9 Diagrama de bloques de un Drive VVI
Fuente: Motors and Drives. A Practical Technology Guide. North Carolina, USA:
ISA- Instrumentation, Systems, and Automation Society. 2003.
Algunas de las ventajas de un drive VVI son el amplio rango de velocidades, la
abilidad de conectar multiples motores al drive (dentro de las limitaciones de
corriente) y un control bastante simple. Sin embargo, existen algunas limitaciones.
27
Una de las mayores desventajas, en términos de drives de AC, es el factor de
potencia de entrada. Este decrece a medida que la velocidad del motor también lo
hace. Esto se debe a que el rectificador está construido con SCRs.
Otra desventaja es la inhabilidad de sobrepasar (ride through) una situación de
bajo voltaje de entrada. Un drive debe ser capaz de de sobrepasar por una
situación de bajo o cero voltaje de entrada (2 o 3 ciclos) y seguir operando.
El drive VVI posee otra desventaja adicional: Una característica de baja velocidad
llamada ‘cogging’ la cual se manifiesta como pulsaciones de velocidad o
movimiento pulsante. Aunque no es un problema a medianas o altas velocidades,
puede causar problemas en los equipos a bajas velocidades. Esta limitación se
ilustra mejor en la Figura 10.
Figura 10 Formas de onda de voltaje y corriente VVI
Fuente: Motors and Drives. A Practical Technology Guide. North Carolina, USA:
ISA- Instrumentation, Systems, and Automation Society. 2003.
Durante la operación a baja velocidad (15-20 Hz), el rotor busca el próximo campo
magnético disponible en el estator. El resultado es una rotación desigual en el eje
del motor. Debido a esto, un reductor de piñones conectado al eje sufrirán
desgaste y fricción adicional. A velocidades mas elevadas, la inercia del motor
proveerá un movimiento continuo.
Como se observa en la forma de onda de corriente, existen muchos picos que
ocurren a intervalos irregulares. Estos picos o transitorios son causados por las
aperturas o disparos de los SCRs. Los filtros del bus DC (L y C) reducen un poco
este efecto, pero no lo eliminan, causando calentamiento en el motor e
ineficiencia.
28
3.2.3 Inversor de Fuente de Corriente CSI Este tipo de drive tiene los mismos
componentes básicos que un drive VVI. Ver La principal diferencia es que es un
drive más sensible a la corriente que el VVI, el cual es un drive más sensible al
voltaje. Ver Figura 11.
Figura 11 Diagrama de bloques de un Drive CSI
Fuente: Motors and Drives. A Practical Technology Guide. North Carolina, USA:
ISA- Instrumentation, Systems, and Automation Society. 2003.
Algunas de las ventajas del drive CSI son: Alta frecuencia, capacidad regenerativa
de vuelta a la línea y la capacidad de transferencia sincrónica (traer otros motores
en línea durante el voltaje de salida pleno)
Sin embargo, también hay limitaciones. Estas limitaciones son las mismas que el
drive VVI (Bajo factor de potencia de entrada y pulsaciones de velocidad a bajas
frecuencias (ver Figura 12), incapacidad de sobreponerse ‘ride through’ a
condiciones de bajo voltaje de entrada y necesidad de un trasformador de
aislamiento en la entrada debido a la generación de picos en la línea.
Figura 12 Formas de onda de voltaje y corriente CSI
Fuente: Motors and Drives. A Practical Technology Guide. North Carolina, USA:
ISA- Instrumentation, Systems, and Automation Society. 2003.
Además, el motor requiere un dispositivo de retroalimentación como un tacómetro
para proveer información al regulador de corriente del drive.
La interface del operador, conocida también como IHM (Interface Hombre
Maquina), provee un medio para que operador arranque y pare el motor y ajuste
29
su velocidad. Otras funciones de la IHM pueden incluir giro en sentido contrario,
opción de control manual y automático. Ésta incluye una pantalla alfanumérica y/o
indicaciones que informan acerca de la operación del drive. Ver figura 13..
Figura 13 Diferentes tipo de interface Hombre-Máquina
Fuente: Variable Frequency Drive Co [en línea]. California. USA: VFD Distribution
of WEG & Baldor VFDs and Vector Inverter Drives & Motors, 2009 [consultado el
02 de Agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.variablefrequencydrives.net/
3.3 INTERRELACION ENTRE EL MOTOR Y EL VARIADOR
Los variadores de frecuencia regulan la velocidad de un motor mediante la
conversión del voltaje de alimentación de la red AC en voltaje DC (rectificador), a
continuación, se regresa a un voltaje AC de frecuencia variable mediante
modulación de ancho de pulso PWM (inversor). El rango de conmutación en
frecuencia de estos pulsos oscila desde 1 kHz hasta 20 kHz. La relación de
cambio ∆V/∆T genera capacitancias parasitas entre el estator y el rotor que
inducen un voltaje en el eje del rotor.
Si este voltaje se acumula a un nivel suficiente, se pueden generar descargas a
tierra a través de los rodamientos.
La causa principal del paso de corriente eléctrica a través de los rodamientos
proviene del sobrepaso de los pulsos de voltaje creados por la conmutación de
alta frecuencia de los dispositivos semiconductores como IGBTs en el variador de
frecuencia.
El voltaje en el eje se acumula en el rotor hasta que éste excede la rigidez
dieléctrica del lubricante del rodamiento, luego, se produce un corto pulso de
descarga de voltaje a tierra a través del rodamiento. Después de esta descarga, el
voltaje se acumula de nuevo en el eje y el ciclo se repite de nuevo.
30
Estas descargas frecuentes tienen un efecto de mecanizado por descarga
eléctrica (EDM), un proceso similar a la soldadura eléctrica, en la que se producen
temperaturas localizadas muy altas, causando picaduras en los elementos
rodantes y las pistas de rodadura. Inicialmente, estas descargas crean un efecto
“escarcha” y usualmente el primer síntoma de daño por paso de corriente es el
ruido audible creado por los elementos rodantes al pasar sobre los agujeros en las
pistas del rodamiento. Con el tiempo, este deterioro produce patrones ranurados
en la pista del rodamiento, conocidos como “fluting” el cual es señal de daño
severo. Eventualmente, este deterioro lleva la destrucción del rodamiento.
La norma NEMA MG1 genera consideraciones en cuanto al aislamiento del motor
y su capacidad contra los picos de tensión, lo cual tienen una relación directa con
el problema de corrientes en el eje. La Interferencia Electro-Magnética (IEM)
genera efectos indeseados que inducen corrientes en el motor. Ver Figura 14.
La interferencia electromagnética incluye las ondas reflejadas y las corrientes en el
eje.
Figura 14 Respuesta típica de voltaje en terminales del motor.
Fuente: NEMA MG1-1993, Revisión 1-2004. [Estándar] Rosslyn, USA: National
Electrical Manufacturers Association, NEMA, 2004.
31
4. ORIGEN DEL FENÓMENO DE CORRIENTES A TRAVÉS DE LOS
RODAMIENTOS CAUSADO POR LOS VARIADORES
El incremento en el uso de los accionamientos de frecuencia variable tiene un
efecto en el número de fallos en los rodamientos de los motores eléctricos.
La razón se debe a que los dispositivos semiconductores de disparo usados en
estos convertidores de potencia, migraron desde los transistores a los tiristores de
apagado controlado por compuerta (GTO) y más aun, al transistor bipolar de
puerta aislada (IGBT).
Los IGBT son usados para generar la forma de onda del voltaje de salida,
mediante modulación de ancho de pulso (PWM), con lo cual se logra una mejora
en la eficiencia y en el desempeño dinámico del accionamiento.
Sin embargo, se ha descubierto que existen daños en los rodamientos de los
motores, causados por flujos de corriente de alta frecuencia (5 kHz - 10 MHz) la
cual es inducida por los rápidos disparos (100 ns) de los dispositivos
semiconductores IGBTs. Estos también causan un incremento rápido de voltaje
(dv/dt) que puede alcanzar valores que llegan a los 10 kV/µs en la salida del
convertidor.
Las causas básicas y las fuentes del paso de corriente eléctrica a través de los
rodamientos son:
►a. Asimetría en el flujo magnético en el motor
►b. Frecuencia elevada de conmutación en los convertidores de potencia y sus
voltajes de modo común.
La primera causa, es un riesgo potencial para todos los motores eléctricos, sin
importar su alimentación por convertidores o desde la red. Sin embargo, es más
frecuente en grandes motores, en especial, tamaños de frame NEMA 400 o
superiores.
La segunda causa, solo existe en motores alimentados con variadores de
frecuencia. En ellos, los problemas surgen debido a tres tipos de corrientes:
•
•
•
Corriente de alta frecuencia a tierra por el eje.
Corrientes circulantes de alta frecuencia.
Corrientes de descarga capacitivas.
La razón para las dos primeras corrientes es el voltaje de modo común en la salida
del convertidor, el cual es producido debido a que la suma de los voltajes trifásicos
no es igual a cero. Este fenómeno se explicará más adelante.
32
Además, los variadores de frecuencia simulan una forma de onda sinusoidal,
mediante señales PWM, las cuales tienen altas frecuencias de interrupción con
picos muy elevados de tensión, lo cual causa corrientes de descarga capacitivas.
En el fenómeno de corriente de alta frecuencia a tierra por el eje, el voltaje de
tierra es producido debido a los voltajes de modo común desde el convertidor.
Si la impedancia del cable de retorno al convertidor es muy alta y si la tierra de la
carcaza del motor es pobre, la corriente tomará un camino desde el estator, a
través de los rodamientos, pasando por el eje y de regreso al convertidor a través
de tierra. Ver Figura 15.
Figura 15. Corriente de alta frecuencia a tierra por el eje. Camino a tierra a
través de la maquina conducida.
Fuente: PREISINGER, Gerwin y GRÖSCHL, Martin. Prevention of electric erosion
in bearings. Revista Evolution. [en línea], 16 May 2001, edición 2/01 [consultado el
06
de
Agosto
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://evolution.skf.com/zino.aspx?articleID=336
Este voltaje de modo común causa una perturbación de modo común, que
produce una asimetría de corriente entre las tres fases, en los bobinados del
estator del motor. La suma de las corrientes a través de la circunferencia del
estator no es cero, por lo que se genera una variación de flujo de alta frecuencia
alrededor del eje, lo que lleva a la creación de un voltaje de alta frecuencia.
Esto resulta en un riesgo potencial para la circulación de corrientes de alta
frecuencia de manera axial, a lo largo del rotor, a través de un rodamiento, y de
regreso por el otro rodamiento. Ver Figura 16.
33
En un rodamiento, los elementos rodantes están separados de las pistas de
rodadura, por una película de lubricante. Desde un punto de vista eléctrico, esta
película actúa como un material dieléctrico, el cual es cargado por el voltaje en el
rotor. Debido a las altas frecuencias, allí se forma un capacitor. Si el voltaje
alcanza el nivel de ruptura de su rigidez dieléctrica, se generará una descarga
capacitiva de alta frecuencia. La corriente de la descarga es limitada por las
capacitancias parasitas internas del motor, pero la descarga ocurrirá cada vez que
el convertidor dispare.
Figura 16 Camino de circulación de las corrientes de alta frecuencia
Fuente: PREISINGER, Gerwin y GRÖSCHL, Martin. Prevention of electric erosion
in bearings. Revista Evolution. [en línea], 16 May 2001, edición 2/01 [consultado el
06
de
Agosto
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://evolution.skf.com/zino.aspx?articleID=336
4.1 CORRIENTES CAUSADAS POR VOLTAJE DE MODO COMÚN
Una fuente de alimentación trifásica, es por lo general, balanceada y simétrica,
bajo condiciones normales. Esto quiere decir, que la suma vectorial de las tres
fases, es igual a cero, es por ello que el voltaje de neutro es cero. Sin embargo,
este no es el caso con un variador de frecuencia PWM, donde se convierte un
voltaje DC en voltajes trifásicos.
Los controladores o drives producen frecuencia variable a través de la
intermitencia de sus tres salidas alternadamente desde los terminales positivo y
negativo de un bus DC. La conmutación ocurre a una frecuencia muy elevada en
los controles modernos, típicamente 1KHz hasta 20KHz.
34
Aún cuando la componente fundamental en frecuencia de los voltajes de salida es
simétrica y balanceada, es imposible hacer que la suma de tres voltajes
instantáneos de salida sea cero, con dos niveles de salida posibles.
El voltaje es proporcional al voltaje del bus DC y tiene una frecuencia igual a la
frecuencia de disparo del variador. Ver figura 17. Por lo tanto, el voltaje resultante
en el neutro no es cero y es conocido como voltaje de modo común.
Figura 17 Voltajes de fase en una típica alimentación PWM y el promedio o
voltaje en el punto neutro.
Fuente: Bearing currents in modern AC drive systems. [Publicación] Helsinki.
FINLAND: ABB Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5. [consultado el
05
de
Mayo
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21ffaa7522ebdf98c1256
d280040db60/$File/ABB_Technical_Guide_5.pdf
Cada vez que cambia una de las tres salidas del inversor, de uno de los posibles
potenciales a otro, se propicia un cambio en la corriente, proporcional a este
voltaje, que fluye a tierra, a través de las capacitancias parasitas de todos los
componentes del circuito de salida. La corriente fluye de regreso a la fuente, a
través del conductor y las capacitancias parásitas del variador de frecuencia, las
cuales son externas al sistema trifásico. Ver Figura 18
35
Figura 18 Formas de onda típicas para el voltaje de modo común y el voltaje
en el eje. (Escala horizontal 40µ
µS/DIV)
Fuente: Baldor Electric Company. Inverter-Driven Induction Motors Shaft and
Bearing Current Solutions. [Publicación]: Baldor Electric Company, 2001.
INDUSTRY WHITE PAPER. . [consultado el 21 de Junio de 2009]. Disponible en
Internet: http://www.reliance.com/pdf/motors/whitepapers/raps868.pdf
Este tipo de corriente, que fluye en un lazo cerrado a través del sistema, se
conoce como corriente de modo común. Se generan entonces pulsos de corriente
no deseables que son conducidos por el aumento rápido del voltaje de modo
común a través de capacitancias parásitas desde el terminal de alimentación a
tierra. Este pulso, producto de la superposición múltiples frecuencias, se debe a
las diferentes frecuencias naturales de los caminos en paralelo de la corriente de
modo común. Ver Figura 19.
36
Figura 19 Corriente de modo común a la salida de un variador de frecuencia.
Fuente: Bearing currents in modern AC drive systems. [Publicación] Helsinki.
FINLAND: ABB Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5. [consultado el
05
de
Mayo
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21ffaa7522ebdf98c1256
d280040db60/$File/ABB_Technical_Guide_5.pdf
4.2 CORRIENTES CAUSADAS POR EL EFECTO CAPACITIVO
Cada vez que dos componentes conductores se separan por un material
dieléctrico, se genera una capacitancia. Por ejemplo, las espiras del bobinado del
motor están aisladas de la carcasa por barniz dieléctrico y papel en las ranuras.
Existen capacitancias parásitas por ejemplo, entre los terminales de alimentación
del motor y la tubería metálica que alberga estos conductores; o entre el bobinado
del motor y su carcasa.
Existe un acople capacitivo entre el bobinado del estator y la superficie del rotor.
Ver Figura 20. El voltaje de alta frecuencia de modo común producido por el
control, hace que exista un flujo de corriente a tierra a través de los caminos que
proporcionan estas capacitancias: El rotor, el eje, los rodamientos y los escudos
aterrizados.
37
Figura 20 Acoples Capacitivos en una Máquina Eléctrica
Fuente: National Electrical Manufacturers Association, NEMA. 2007. Application
Guide for AC Adjustables Speed Drive Systems. [En línea] 2007. [consultado el 06
de
Agosto
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://www.nema.org/stds/acadjustable.cfm#download.
La capacitancia dentro del cable y especialmente, dentro del motor es muy
pequeña. Una capacitancia pequeña significa alta impedancia para las bajas
frecuencias, por lo cual, bloquea las corrientes parásitas de baja frecuencia.
Sin embargo, los pulsos de alta frecuencia, producidos por los variadores,
contienen frecuencias tan altas que aun las pequeñas capacitancias dentro del
motor proveen un camino de baja impedancia para que fluya la corriente.
38
Figura 21 Lazo simplificado de la corriente de modo común de un variador
de frecuencia PWM y un motor de inducción AC
Fuente: Bearing currents in modern AC drive systems. [Publicación] Helsinki.
FINLAND: ABB Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5. [consultado el
05
de
Mayo
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21ffaa7522ebdf98c1256
d280040db60/$File/ABB_Technical_Guide_5.pdf
Figura 21 muestra que la alimentación del variador de frecuencia actúa como la
fuente del voltaje de modo común VCM. La corriente de modo común CMC fluye a
través del cable LC y la inductancia del motor LM y a través de las capacitancias
parásitas combinadas entre los bobinados del motor y la carcasa CM. De allí, la
corriente fluye a través del circuito de tierra de la instalación, el cual tiene
inductancia Lg. Esta inductancia Lg también se alimenta de corriente de modo
común desde la capacitancia parásita del cable CC.
La carcasa del variador de frecuencia está conectada a la tierra de la instalación y
une la corriente de modo común y la corriente de tierra, a través de la capacitancia
parásita de la carcasa del inversor Cin, hasta que llegan de regreso a la fuente de
voltaje de modo común.
El camino de regreso de la corriente de fuga desde la carcasa del motor hasta el
variador de frecuencia consta de: La carcasa del motor, las cubiertas de los cables
o los conductores de tierra y posiblemente, las estructuras de acero o aluminio de
la planta. Todos estos elementos contienen inductancia.
39
El flujo de corriente de modo común a través de estas inductancias, causará una
caída de tensión que aumenta el potencial de la carcasa del motor por encima del
potencial a tierra de la fuente en la carcasa del variador.
Este voltaje en la carcasa del motor es una porción del voltaje de modo común del
variador de frecuencia. La corriente de modo común, buscará el camino de menor
impedancia. Si se presenta una alta de impedancia en las los caminos deseados,
como en la tierra de protección de la carcasa del motor, el voltaje en este sitio
causará que una porción de la corriente de modo común se divida por caminos no
deseados.
Si el valor de estas inductancias es lo suficientemente alto, la reactancia en el
rango más alto de las frecuencias típicas de la corriente de modo común (50 kHz a
1 MHz), pueden soportar caídas de tensión de más de 100 V entre la carcasa del
motor y la carcasa del variador de frecuencia.
Si en este caso, el eje del motor está conectado por un acople metálico al
engranaje o a la carga, que está sólidamente aterrizado o cercano al potencial de
tierra de la carcasa del variador de frecuencia, entonces, es posible, que parte de
la corriente de modo común del variador, fluya a través de los rodamientos del
motor, el eje, la carga y regrese al variador. Ver Figura 22
Figura 22 Circulación de Corrientes en el sistema Variador de frecuenciaMotor-Engranaje-Carga.
Fuente: Bearing currents in modern AC drive systems. [Publicación] Helsinki.
FINLAND: ABB Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5. [consultado el
05
de
Mayo
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21ffaa7522ebdf98c1256
d280040db60/$File/ABB_Technical_Guide_5.pdf
40
Si el eje de la maquina no tienen contacto directo con tierra, la corriente puede fluir
a través de la carga o de sus rodamientos.
La mayor parte de la capacitancia parásita del motor, se forma entre los bobinados
del estator y la carcasa del motor. Esta capacitancia se distribuye alrededor de la
circunferencia y en la longitud del estator. A medida que al corriente se fuga en el
estator a lo largo de la bobina, el contenido de alta frecuencia de la corriente de
entrada a las bobinas del estator es mayor que la corriente que sale.
En la Figura 23 se observa la fuga de corriente en las capacitancias distribuidas
del estator, lo cual propicia que la suma de corrientes sobre la circunferencia del
estator no sea cero. Esto lleva a un efecto de magnetización neto y genera un flujo
alrededor del eje del motor.
Figura 23 Fuente de la circulación de corriente de alta frecuencia por los
rodamientos.
Fuente: Bearing currents in modern AC drive systems. [Publicación] Helsinki.
FINLAND: ABB Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5. [consultado el
05
de
Mayo
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21ffaa7522ebdf98c1256
d280040db60/$File/ABB_Technical_Guide_5.pdf
Esta corriente neta produce un flujo magnético de alta frecuencia que circulará en
las laminaciones del estator, induciendo un voltaje axial en los extremos del eje.
Si el voltaje es lo suficientemente alto, una corriente de alta frecuencia puede
circular en el interior del motor, a través del eje y de los dos rodamientos.
En este caso, el motor se puede ver como un transformador, donde la corriente de
modo común que circula en el estator, actúa como el primario e induce una
corriente que circula por el secundario, el estator. Ver Figura 24.
41
Esta corriente a través de los rodamientos, es considerada como muy peligrosa
para los mismos, con valores pico típicos de 3A a 20A, dependiendo de la
potencia nominal del motor y de las características del variador de frecuencia.
Figura 24 Tensión de alta frecuencia en el eje como resultado del efecto
transformador
Fuente: Bearing currents in modern AC drive systems. [Publicación] Helsinki.
FINLAND: ABB Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5. [consultado el
05
de
Mayo
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21ffaa7522ebdf98c1256
d280040db60/$File/ABB_Technical_Guide_5.pdf
Otro tipo de corrientes que circulan a través de los rodamientos ocurre cuando, en
vez de circular completamente dentro del motor, fluye a través del eje y los
rodamientos de la carga y en elementos estructurales comunes a ambos, como la
base. Estas corrientes se conocen como corrientes parasitas o errantes y son
mostradas en la Figura 25.
Figura 25 Corrientes parasitas, Nótese el el lazo de corriente fuera del motor.
42
Fuente: Bearing currents in modern AC drive systems. [Publicación] Helsinki.
FINLAND: ABB Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5. [consultado el
05
de
Mayo
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21ffaa7522ebdf98c1256
d280040db60/$File/ABB_Technical_Guide_5.pdf
Existen otras capacitancias parásitas presentes en el motor, tales como la
capacitancia entre los bobinados del estator y el rotor o la existente en el
entrehierro. Aun los rodamientos pueden incluso tener capacitancia parásita.
La existencia de capacitancia entre los bobinados del estator y el rotor, acopla los
bobinados del estator al hierro del rotor, que también está conectado con el eje y
las pistas internas del rodamiento. Cambios rápidos en la corriente de modo
común no sólo dan lugar a corrientes de la capacitancia alrededor de la
circunferencia y la longitud del motor, sino también entre los bobinados del estator
y el rotor hacia los rodamientos. Ver Figura 26.
Figura 26 Lazo en modo común de un variador de frecuencia.
Fuente: Bearing currents in modern AC drive systems. [Publicación] Helsinki.
FINLAND: ABB Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5. [consultado el
05
de
Mayo
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21ffaa7522ebdf98c1256
d280040db60/$File/ABB_Technical_Guide_5.pdf
4.2.1 Falla en el rodamiento por paso de corriente eléctrica. El flujo de
corriente en los rodamientos puede cambiar rápidamente, pues depende del
estado físico de los rodamientos en cualquier momento. Por ejemplo, la presencia
de la capacitancia parásita de los rodamientos sólo se mantiene por el tiempo que
las bolas de los rodamientos están cubiertas de aceite o grasa y no son
conductoras.
43
Esta capacitancia, donde la tensión inducida en eje se acumula, puede entrar en
corto circuito si la tensión del rodamiento supera el umbral de su valor de
disrupción o si un "punto alto" en una bola rompe la película de lubricante y hace
contacto con ambas pistas del rodamiento. A velocidades muy bajas, los
rodamientos tienen contactos metálicos, debido a que las bolas aun no están
sobre la película de lubricante.
En general, la impedancia del rodamiento regula el nivel de tensión en el que los
rodamientos comienzan a conducir. Esta impedancia es una función no lineal de la
carga, la temperatura, la velocidad de rotación, la viscosidad y características del
lubricante.
La Figura 27 es un oscilograma del voltaje en el eje de un motor de inducción de
20HP, 6 polos alimentado por un control de frecuencia.
Nótese que el voltaje en el eje es un voltaje AC y varia en amplitud mientras no
haya flujo de corriente a través del rodamiento.
Figura 27 Voltaje en el eje sin la presencia de corriente en el rodamiento 10
V/DIV - 25 µS/DIV
Fuente: National Electrical Manufacturers Association, NEMA. 2007. Application
Guide for AC Adjustables Speed Drive Systems. [En línea] 2007. [consultado el 06
de Agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.nema.org/stds/acadjustable.cfm#download.
44
Eventualmente el voltaje excede el valor que la grasa puede soportar y vence su
rigidez dieléctrica, entonces el rodamiento conduce y el rotor y el eje son
descargados. El oscilograma de la Figura 28 muestra tal descarga.
Figura 28 Arriba, Voltaje en el eje 25 V/DIV – 5 µS/DIV. Abajo, Corriente en el
rodamiento 500 mA/DIV - 5 µS/DIV
Fuente: National Electrical Manufacturers Association, NEMA. 2007. Application
Guide for AC Adjustables Speed Drive Systems. [En línea] 2007. [consultado el 06
de Agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.nema.org/stds/acadjustable.cfm#download.
Nótese que el voltaje en el eje colapsa en el instante de la descarga. Tal descarga
puede causar una picadura en el camino de rodadura del rodamiento como se
muestra en la Figura 29 y Figura 30. A medida que continúan las descargas
eléctricas, las picaduras se superponen unas con otras.
Figura 29 Picaduras por arco eléctrico localizadas en la pista interna de un
rodamiento rígido de una hilera de bolas.
Fuente: NSK Bearing Doctor. Diagnóstico Rápido de Fallas en Rodamiento. [En
línea] NSK Corporation. Product Application Notes, Enero de 2004. [consultado el
45
06
de
Agosto
de
2009]
Disponible
en
Internet:
http://www.mx.nsk.com/Catalagos/NSK%20Cat%20Bearing%20Doc%20Espanhol.
pdf
Estas imágenes son obtenidas gracias a la microscopía electrónica de barrido
(MEB).
Figura 30 Picadura por arco eléctrico localizada en la pista interna de un
rodamiento. Diámetro: Un micrón (1 µm)
Fuente: National Electrical Manufacturers Association, NEMA. 2007. Application
Guide for AC Adjustables Speed Drive Systems. [En línea] 2007. [consultado el 06
de
Agosto
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://www.nema.org/stds/acadjustable.cfm#download.
Figura 31 Micrografía de la estructura del daño
46
Fuente: FAG Schaeffler KG. Current-Insulated Bearings Prevent Damage Caused
by Electrical Current. Technical Product Information. [en línea] 2007. [consultado el
06 de Agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.schaeffler.com/remotemedien/media/_shared_media/library/downloads/
TPI_WL_43-1189_2_de_en.pdf
Debido a la longitud de onda relativamente grande de la luz visible, la definición en
profundidad está limitada por las representaciones ópticas. Por lo tanto, en las
condiciones de irregularidad superficial habituales de los caminos de rodadura de
rodamientos dañados, se obtienen imágenes nítidas sólo hasta una ampliación de
aproximadamente 50 aumentos. Este obstáculo en la observación óptica de
superficies se salva con la obtención de imágenes por medio de haces
electrónicos de longitud de onda muy corta en el microscopio electrónico de
barrido MEB (Scanning Electron Microscope - SEM), gracias a ello, la capacidad
de reconocer detalles aumenta en muchos miles.
Figura 32. Microscopio Electrónico de Barrido
Fuente: Direct Industry [en línea]. USA. Virtual industrial exhibition. Año 2009.
[Consultado el
20 de mayo de 2009] Disponible en Internet:
http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/schottky-emission-scanningelectron-microscope-sesem-237074.jpg
Un examen bajo el microscopio SEM revela que el daño mostrado en la Figura 34
se caracteriza por cráteres densamente comprimidos, causados por derretimientos
localizados y cordones de soldadura de diámetro micrométrico que cubren las
pistas o caminos de rodadura del rodamiento. Ver Figura 31.
47
Esto es prueba definitiva del paso de corriente a través del rodamiento.
Estos cráteres y puntos de soldadura son el resultado de las descargas eléctricas
entre los picos microscópicos que se encuentran siempre en las pistas de
rodadura y en la superficie de los elementos rodantes. Cuando una chispa penetra
en la película de lubricante, hace que las superficies adyacentes se derritan
momentáneamente. En el rango de fricción mixta (contacto metal-metal), las
superficies afectadas se funden temporalmente e inmediatamente después, se
rompe la unión a causa del giro del rodamiento.
En ambos casos, existe material que se separa de la superficie, donde
inmediatamente se solidifica para formar puntos de soldadura.
Algunos de estos puntos se mezclan con el lubricante, el resto se depositan sobre
las superficies metálicas. Los cráteres y los puntos de soldadura son aplanados y
alisados por los elementos rodantes, por el paso continuo sobre ellas.
Si existe un flujo continuo de corriente, las delgadas capas de la superficie, con el
tiempo, repiten este proceso de fusión y solidificación una y otra vez. Ver Figura
31.
Finalmente, si el rodamiento opera lo suficiente, con paso de corriente, se
formaran configuraciones como ranuras, conocidas como “fluting” que son marcas
paralelas al eje que toman un color marrón y ocupan grandes partes del camino de
rodadura o incluso todo el perímetro de este (Ver Figura 34, Figura 35 y Figura
36).
La Figura 35 muestra la falla en su forma característica. Estos patrones se forman
como resultado de los efectos combinados de un flujo continuo de corriente
eléctrica y de las propiedades vibracionales de los componentes del rodamiento.
Cada vez que el elemento rodante entra en contacto con un cráter lo
suficientemente grande, este es desplazado radialmente; el grado de
desplazamiento dependerá de la geometría interna del rodamiento y la velocidad,
así como en las cargas que actúan sobre el rodamiento.
A medida que los elementos rodantes giran, el espesor de la película lubricante se
va viendo disminuido, resultando en más chispas. Este proceso es un circulo
vicioso. Después de un tiempo, toda la circunferencia de la pista de rodadura
puede llegar a ser cubierta con este daño, el cual causa un aumento en la
vibración y por último, conduce a la falla del rodamiento.
La vida nominal de un rodamiento según la normativa ISO 281:2007 es
48
L10 = (C/P)p
Ecuación 2
Donde
L10 = Vida nominal del rodamiento [Millones de revoluciones]
C = Capacidad de carga dinámica [kN]
P = Carga dinámica equivalente del rodamiento [kN]
p
= Exponente de la ecuación de la vida (3 para los rodamientos de bolas, 10/3
para los rodamientos de rodillos.)
Además, en los elementos rodantes se presenta en primera instancia una
microcraterización (la superficie dañada se torna de color mate, en contraste al
color brillante del material nuevo (Figura 39) y finalmente los elementos rodantes
se tornan de color oscuro (Figura 40)
De otro lado, Las descargas de corrientes también hacen que el lubricante del
rodamiento cambie su composición y se degrade con rapidez. La elevada
temperatura hace que reaccionen los aditivos y el aceite base, lo cual puede
provocar calcinación o carbonización del aceite base. Los aditivos se agotarán
más rápidamente. De este modo, el lubricante se endurece y se ennegrece. Una
descomposición rápida de la grasa es una avería típica resultante del paso de
corriente.
Figura 33 Expectativa de vida de un rodamiento con problemas de arco
eléctrico
49
Fuente: NSK Bearing Doctor. Diagnóstico Rápido de Fallas en Rodamiento. [En
línea] NSK Corporation. Product Application Notes, Enero de 2004. [consultado el
06 de Agosto de 2009] Disponible en Internet:
http://www.mx.nsk.com/Catalagos/NSK%20Cat%20Bearing%20Doc%20Espa
nhol.pdf
Figura 41La distribución del daño eléctrico en el rodamiento normalmente aparece
en primera instancia en las zonas de más alta carga; esto tiene sentido puesto
que la película lubricante es más delgada en estas zonas.
Figura 34 Pista interna de un rodamiento rígido de bolas. Daño a Causa de
Paso de Corriente Eléctrica.
Fuente: Bearing Fluting. IEEE Industry Applications Society. [En línea] IEEE,
Septiembre/Octubre de 2002. Vol.8, No.5, p 53-57. [consultado el 21 de mayo de
2009] Disponible en Internet: www.ieee.org/ias.
Figura 35. Surcos en el camino de rodadura del rodamiento.
50
Fuente: Rodamientos aislados eléctricamente [en línea] Suecia: SKF Group.
INSOCOAT, 2003. 5225 Sp. [consultado el 30 de mayo de 2009] Disponible en
Internet: http://www.skf.com/files/190743.pdf
Figura 36 Anillo interno de rodamiento de rodillos cónicos. Daño a Causa de
Paso de Corriente Eléctrica
Fuente: NSK Bearing Doctor. Diagnóstico Rápido de Fallas en Rodamiento. [En
línea] NSK Corporation. Product Application Notes, Enero de 2004. [consultado el
06 de Agosto de 2009] Disponible en Internet:
http://www.mx.nsk.com/Catalagos/NSK%20Cat%20Bearing%20Doc%20Espanhol.
pdf
Figura 37. Rodamiento de un ferrocarril, dañado por el paso de una alta
corriente, mientras el rodamiento no estaba trabajando
51
Fuente: Bearing failures and their causes. SKF Product information 401. [en línea]
Suecia : SKF Group, 1994. [consultado el 5 de junio de 2009] Disponible en
Internet:
http://www.skf.com/portal/skf/home/aptitudexchange?contentId=0.237932.237933.
237934.237949.238715
Figura 38 Rodillo de un rodamiento de un ferrocarril, dañado por el paso de
corriente.
Fuente: Bearing failures and their causes. SKF Product information 401. [en línea]
Suecia : SKF Group, 1994. [consultado el 5 de junio de 2009] Disponible en
Internet:
52
http://www.skf.com/portal/skf/home/aptitudexchange?contentId=0.237932.237933.
237934.237949.238715
Figura 39 Superficie de color mate de la bola del lado izquierdo, denota
microcraterización
Fuente: INSOCOAT® – Rodamientos aislados eléctricamente. [Publicación]
Suecia : SKF Group, 2003. 5225 Sp. [consultado el 30 de mayo de 2009]
Disponible en Internet: http://www.skf.com/files/190743.pdf
Figura 40 Bolas de rodamiento rígido de una hilera de bolas afectado por
paso de corriente
Fuente: NSK Bearing Doctor. Diagnóstico Rápido de Fallas en Rodamiento. [En
línea] NSK Corporation. Product Application Notes, Enero de 2004. [consultado el
06 de Agosto de 2009] Disponible en Internet:
http://www.mx.nsk.com/Catalagos/NSK%20Cat%20Bearing%20Doc%20Espanhol.
pdf
Figura 41 Grasa negra descolorida, afectada por descargas de corriente
53
Fuente: Detection of electrical discharges in bearings. [en línea] Suecia: SKF
Maintenance Products., 2008. [consultado el 17 de agosto de 2009]. Disponible
en Internet:
http://www.mapro.skf.com/new_products/TKED1/whitepaper/SKF_WhitePaper_ED
D.pdf
54
5. METODOLOGIA DE DIAGNOSTICO BASADO EN LA CONDICIÓN DE
OPERACIÓN DEL MOTOR
5.1 ANÁLISIS DE LA VIBRACIÓN MECÁNICA
5.1.1 Teoría general sobre análisis de la vibración. El análisis de vibraciones
es de gran utilidad para detectar o confirmar la existencia de ‘fluting’ o daño por
paso de corriente eléctrica en los rodamientos de los equipos rotativos.
Existen diferentes variables para medir la amplitud de vibración de un espectro.
Para vibraciones mecánicas lo más común es medirlas en unidades de
desplazamiento (mils), velocidad (in/sec) y aceleración (G’s).
La medida en velocidad (mm/s en SI, in/s en sistema Inglés) permite reconocer la
mayoría de los patrones de fallas primarias y de otros componentes cuando están
en un estado evidente, como por ejemplo desbalanceo, desalineación, holgura
mecánica, fricciones abrasivas, resonancias, pulsaciones, engranajes de pocos
dientes, sistema de poleas, y las fallas por paso de corriente eléctrica a través de
os rodamientos.
Esta variable de velocidad es importante para resaltar picos de bajas y medias
frecuencias.
Para recolectar la información de vibración entregada por los equipos o la
maquinaria, es necesario contar con transductores, por lo general piezoeléctricos,
que captan la vibración mecánica y la traducen otros parámetros físicos.
Existen tres tipos básicos de transductores de vibración.
•
•
•
Transductor de Desplazamiento
Transductor de Velocidad
Acelerómetro
El sensor más utilizado en el análisis de vibración para detectar problemas por
paso de corriente eléctrica en los rodamientos de los motores es el acelerómetro,
como el mostrado en la Figura 42.
El acelerómetro es uno de los transductores más versátiles, siendo el más común
el piezoeléctrico por compresión. Los elementos piezoeléctricos están hechos
normalmente de cuarzo o de circonato de plomo.
Al estar sometido a compresión mecánica o tensiones de corte, genera cargas
eléctricas en las caras, proporcionales a la fuerza aplicada. Estas cargas positivas
y negativas se acumulan en la superficie del cristal al sufrir una tensión; las cargas
55
o iones, se colectan con electrodos colocados en los extremos del cristal, estos
electrodos son delgadas láminas de oro donde las cargas se acumulan en su
superficie y el número es directamente proporcional a la amplitud de la fuerza
experimentada.
Figura 42 Acelerómetro Piezoeléctrico 786A tipo estándar, para propósito
general
Fuente: Model 786A General purpose accelerometer [en línea]. USA: p Wilcoxon
Research, Inc. 2007. [Consultado el 5 de agosto de 2010] Disponible en internet:
http://www.wilcoxon.com/prodpdf/786A%2098692a3.pdf
El acelerómetro mide la razón de cambio de la velocidad de la vibración. Un cristal
piezoeléctrico genera una señal cuando se deforma. Si el cristal se mueve a
velocidad constante, no se genera señal. Una variación en la velocidad indicará
presencia de aceleración. A mayor cambio en la velocidad, mayor es la señal
producida. A baja frecuencia, los cambios en la velocidad de la vibración son
pequeños, lo cual hace que el cristal no responda muy bien a los cambios de
velocidad.
Figura 43 Respuesta general en frecuencia del acelerómetro
Fuente: Introducción al Análisis de Vibraciones. Woburn, MA 01801 [en línea].
U.S.A : Azima DLI, 1990-2010. [consultado el 21 de Junio de 2009]. Disponible en
Internet: http://www.azimainc.com/vibman-spanish/introduccin1.htm
56
Debido al efecto piezoeléctrico se desarrolla un potencial eléctrico variable que
será proporcional a la aceleración. Su intervalo de frecuencia típica es de 1Hz a
12KHz, Ver Figura 43. Este intervalo de respuesta en frecuencia también se ve
afectado por el tipo de montaje del sensor a la superficie de la máquina. Los tipos
de montaje son: Manual, a través de imanes, a través de pegantes o a través de
tornillos fijadores. Ver Figura 44
Figura 44 Respuesta en frecuencia, según el tipo de montaje
Fuente: Effects of Mounting on Resonant Frequency. [en línea]: Behavior of
Accelerometers. USA: The Modal Shop, Inc. 2010. [Consultado el 20 de agosto
de 2009] Disponible en Internet: http://www.modalshop.com/filelibrary/Mountingeffects-on-resonance.jpg
Además de los transductores, es necesario contar con un hardware o recolector
de datos, llamado analizador FFT, mostrado en la Figura 45, capaz de realizar
operaciones matemáticas complejas como la Transformada Rápida de Fourier.
La transformada matemática, que convierte la forma de la onda del dominio del
tiempo al dominio de la frecuencia se llama la transformada de Fourier y comprime
toda la información en la onda sinusoidal de un tiempo infinito en un punto. Ver
Figura 47.
57
Figura 45 CSI 2130 Machinery Health Analyzer
Fuente: CSI 2130 Machinery Health Analyzer [en línea]. USA: Emerson Process
Management. 2009. [Consultado el 20 de agosto de 2009] Disponible en internet:
http://www2.emersonprocess.com
5.1.2 Trasformada rápida de Fourier FFT. La operación de la Serie de Fourier
está basada en una señal de tiempo que es periódica. Esto es, una señal de
tiempo cuya forma se repite en una cantidad infinita de veces. Fourier demostró
que una señal de este tipo es equivalente a una colección de funciones senos y
cosenos cuyos frecuencias son múltiplos del recíproco del periodo de la señal de
tiempo. El resultado un poco inesperado es que cualquier forma de onda, siempre
y cuando no sea infinita en longitud se puede representar como la suma de una
serie de componentes armónicos, y la frecuencia fundamental de la serie de
armónicos es 1 entre la longitud de la forma de onda. Las amplitudes de los varios
armónicos se llaman los coeficientes Fourier, y sus valores se pueden calcular
fácilmente si se conoce la ecuación para la forma de onda. También se puede
calcular gráficamente la forma de onda.
El cálculo de los coeficientes de Fourier se define como una transformada
matemática del dominio de tiempo hacia el dominio de frecuencia.
Un hecho importante que se puede ver de la Serie de Fourier es que la forma de
onda original se puede reconstruir a partir de los coeficientes de frecuencia. En
otras palabras, es posible transformar del dominio de frecuencia y regresar hacia
el dominio de tiempo sin que se pierda la información.
58
Figura 46 Dominio del Tiempo y dominio de la frecuencia
Fuente: Vibraciones para mantenimiento mecánico: Análisis de Maquinaria [en
línea] Medellín-Colombia: A-MAQ SA. 2009. [Consultado el 20 de agosto de 2009]
Disponible en internet: http://www.a-maq.com/
En resumen, lo que hace un analizador de espectros que trabaja con la
transformada rápida de Fourier es capturar una señal desde una máquina, luego
calcula todas las series de señales sinusoidales que contiene la señal compleja y
por último las muestra en forma individual en el eje de las abscisas (eje de
frecuencia). En la Figura 46 puede notarse la señal compleja (en color verde),
capturada desde una máquina. A dicha señal se le calculan todas las series de
señales sinusoidales en el dominio del tiempo (vistas en azul) y por último se
muestra cada una en el dominio de la frecuencia (vistas en rojo). La Figura 47y
Figura 48 muestran el mismo proceso.
Figura 47 Forma de Onda en el Tiempo y su Espectro equivalente en
frecuencia
.
Fuente: Sistema de Información Científica Redalyc [en línea] Mexico: Red de
Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal, 2009
[Consultado el
20 de agosto de 2009] Disponible en internet:
http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/html/707/70770108/pg_0011.jpg
59
Figura 48 paso del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia a través
de descomposición de sus componentes.
Fuente: Signal processing for effective vibration analysis. [en línea]. Ohio. USA:
IRD Mechanalysis, Inc. 1995. IRD Mechanalysis, Inc. [consultado el 17 de agosto
de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.irdbalancing.com/downloads/SIGCOND2_2.pdf
5.1.3 Parámetros de configuración en el equipo de recolección de
vibraciones.
• Líneas de Resolución. La resolución FFT describe el número de líneas de
información que aparecen en el espectro en frecuencia tal como se muestra en la
Figura 49. Los valores típicos para definir el número de líneas son 100, 200, 400,
800, 1600, 3200, 6400 y 12800. Cada línea cubre un rango de frecuencias y la
resolución de cada línea puede calcularse dividiendo la frecuencia máxima (Fmax)
por el número de líneas. Por ejemplo con una frecuencia máxima de 120000 CPM
y un número de líneas de 400 se tendrá una resolución de 300 CPM por línea.
Figura 49 Resolución FFT
Fuente: Signal processing for effective vibration analysis. [Publicación]. Ohio.
USA: IRD Mechanalysis, Inc. 1995. IRD Mechanalysis, Inc. [consultado el 17 de
agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.irdbalancing.com/downloads/SIGCOND2_2.pdf
60
• Frecuencia maxima. Es la frecuencia más elevada que se capturará y
mostrará en el espectro. Al configurar la frecuencia máxima, también se configuran
otros parámetros como el filtro anti-alising (Aliasing: Efecto que causa que señales
continuas distintas se tornen indistinguibles cuando se les muestrea digitalmente.
Cuando esto sucede, la señal original no puede ser reconstruida de forma unívoca
a partir de la señal digital). Cuando la operación para producir el FFT es digital y
para producir formas de onda se utiliza FFT, lo que realmente tenemos es una
serie de puntos en el grafico de la forma de onda, como se observa en la Figura
50.
Figura 50 Muestreo digital y Aliasing
Fuente: Signal processing for effective vibration analysis. [Publicación]. Ohio.
USA: IRD Mechanalysis, Inc. 1995. IRD Mechanalysis, Inc. [consultado el 17 de
agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.irdbalancing.com/downloads/SIGCOND2_2.pdf
5.1.4 Diagnóstico de la falla en el rodamiento por paso de corriente. La
adquisición de datos (Figura 51) debe usar el acelerómetro y las técnicas de
montaje (por lo general, se usa un magneto) adecuadas para el rango alto de
frecuencia.
Para obtener mejores resultados, los espectros de vibración se deben tomar en el
sentido horizontal, en ambos apoyos de cada máquina.
Figura 51 Captura de la señal de vibración
Fuente: Introducción al Análisis de Vibraciones. Woburn, MA 01801 [en línea].
U.S.A : Azima DLI, 1990-2010. [consultado el 21 de Junio de 2009]. Disponible en
Internet: http://www.azimainc.com/vibman-spanish/introduccin1.htm
61
Para hacer los análisis de vibración, en maquinas con problemas de daño en los
rodamientos producto del paso de corriente eléctrica, es necesario capturar los
espectros en alta resolución y alta frecuencia. Se recomienda una resolución de 3200
líneas y una frecuencia máxima de 60000 CPM o Hz.
La característica de la falla del rodamiento por paso de corriente eléctrica, consiste
en una modulación de energía de alta frecuencia y aparece como un “montículo” de
energía en el rango de frecuencia de 2kHz a 4 kHz. Ver Figura 52. La ubicación del
montículo de energía no parece tener relación con la velocidad de rotación del motor
(falla asincrónica). Algunos autores sugieren que estas frecuencias están
relacionadas con la frecuencia natural del rodamiento o de la estructura que lo
contiene1
A medida que el daño continúa, los picos de energía de falla migraran a
frecuencias de falla de un daño en rodamientos regular, en la pista interna (BPFI)
o en la pista externa (BPFO) del mismo
Este montículo de energía contiene bandas laterales de las frecuencias BFFI o
BPFO, o de las combinaciones de ambas. Las bandas laterales más comunes son
las de falla en pista externa o BPFO y se muestran en la Figura 53.
Figura 52 Espectro de Vibración de alta frecuencia, mostrando ‘Fluting’
Fuente: DoctorKnow Application Paper. [en línea]: Bearing Damage Resulting
From Shaft Voltages and Currents. USA: Computational Systems, Inc. [Consultado
el 20 de agosto de 2009] Disponible en Internet:
http://www.compsys.com/DRKNOW/APLPAPR.NSF/apweb/5297C0486590820385
2565A20062F412?OpenDocument
1
SIMONCIC, David A. DC Motor And Control Problem Detection Using Vibration Analysis,
Charlotte: Technical Associates Of Charlotte Inc., 1994 p. 20-21.
62
Figura 53. Espectro de Vibración de alta frecuencia, mostrando ‘Fluting’,
Con bandas laterales de falla en pista externa del rodamiento BPFO
Fuente: DoctorKnow® Application Paper. [en línea]: Bearing Damage Resulting
From Shaft Voltages and Currents. USA: Computational Systems, Inc. [Consultado
el 20 de agosto de 2009] Disponible en Internet:
http://www.compsys.com/DRKNOW/APLPAPR.NSF/apweb/5297C0486590820385
2565A20062F412?OpenDocument
Como se observa en la Figura 52 y en la Figura 53, en su etapa inicial, este tipo de
falla no muestra frecuencias características en los rangos de baja frecuencia. A
medida que la falla empeora, debido a la degradación del rodamiento, se
presentan frecuencias de falla características en rangos de más baja frecuencia.
Es importante también controlar otro tipo de variables físicas en el motor que
pueden ser la indicación de fallas, como la temperatura o los niveles de ruido.
Adicionalmente, La técnica avanzada de análisis de vibración, patentada por la
compañía CSI, Computational Systems Inc, PeakVue® captura el valor pico de la
forma de onda en el tiempo en un intervalo de tiempo definido. Estos valores pico
pueden ser procesados luego, a través de la transformada rápida de Fourier, para
ser llevados a un espectro en el dominio de la frecuencia.
Este tipo de procesamiento de señal está dirigido a capturar y monitorear las
ondas de tensión de corta duración. Estas ondas de tensión se producen
principalmente donde existen impactos metal-metal, como los daños en los
rodamientos.
63
5.2 ANÁLISIS DE CORRIENTE Y VOLTAJE EN EL EJE.
5.2.1 Advertencias de seguridad y recomendaciones. Debe tenerse especial
cuidado cuando se trabaja cerca o directamente a partes rotativas. En particular,
es necesario tener especial atención a todas las partes del cuerpo, ropas o
elementos que puedan entrar en contacto con las partes rotativas y mantenerlas
siempre alejadas de estas. Estas advertencias de peligro se deben estar
señalizadas en la industria con avisos como el presentado en la Figura 54.
Figura 54 Señal Industrial de Peligro por partes en movimiento
Fuente: Peligro Partes En Movimientos [en línea] Mexico: Industrias RYMEX, SA
de CV. 2009. [[Consultado el 20 de agosto de 2009]] Disponible en internet:
http://industriasrymex.com/tienda/images/141.jpg
• Se recomienda usar una luz estroboscópica antes de ubicar un sensor sobre el
eje, para chequear posibles obstrucciones o peligrosos en la medición, tales como
cuñas o cuñeros.
• El eje debe ser limpiado con un cepillo metálico antes de hacer una medición
directa sobre el mismo.
• Asegúrese que todos los puntos usados para conexiones a tierra están limpios
y libres de pintura o corrosión.
64
5.2.2 Sensor de voltaje sobre el eje. Es posible medir el voltaje y la corriente
presentes en el eje, ubicando un dispositivo conductor conectado a un equipo
sensor, directamente sobre el eje del motor.
Las medidas deben ser realizadas en el lado acople y en el lado libre, en cada
sección de eje, tan cerca a los rodamientos como sea posible.
Las medidas al otro lado del acople del motor o en cualquier otro lugar conductor,
puede agregar resistencia adicional a la medida.
Figura 55 se muestra el sensor de voltaje y corriente CSI Modelo 348SP, para
mediciones directas sobre el eje, el cual es acompañado, por lo general, con un
analizador CSI 2130, como el mostrado en la Figura 45, a través del cual se
monitorean los datos obtenidos en campo.
Figura 55 Sensor de voltaje y corriente sobre el Eje CSI Modelo 348SP
Fuente: DoctorKnow® Application Paper. [en línea]: Bearing Damage Resulting
From Shaft Voltages and Currents. USA: Computational Systems, Inc. [Consultado
el 20 de agosto de 2009] Disponible en Internet:
http://www.compsys.com/DRKNOW/APLPAPR.NSF/apweb/5297C0486590820385
2565A20062F412?OpenDocument
También es posible realizar las medidas de voltaje en el eje con un osciloscopio
digital, como el Fluke 199C y un sensor de micro fibra conductora AEGIS SVP™,
el cual incorpora en su diseño, micro fibras conductoras de alta densidad que
asegura el contacto eléctrico continuo con el eje en movimiento. Ver Figura 56
Con este tipo de instrumentos, es posible medir los voltajes de modo común en el
eje del motor, voltajes de descarga de baja amplitud y los dañinos voltajes de
descarga de alta amplitud, causantes del daño en el rodamiento. Ver Figura 57.
Figura 56 Sensor de micro fibra conductora AEGIS SVP™ con osciloscopio
digital Fluke 199C
65
Fuente: Shaft Voltage Probe[en línea]. USA: AEGIS Bearing Protection Ring. EST
Electro Static Technology. 2009. [Consultado el 3 de agosto de 2009] Disponible
en internet:
http://www.estaegis.com/datasheets/ProbeDatasheetform800-1.pdf
Figura 57 Descargas eléctricas en el eje de un motor eléctrico de inducción
Fuente: Shaft Voltage Probe [en línea]. USA: AEGIS Bearing Protection Ring. EST
Electro Static Technology AEGIS SVP, 2009. [Consultado el 3 de agosto de 2009]
Disponible en internet:
http://www.estaegis.com/datasheets/ProbeDatasheetform800-1.pdf
66
5.2.3 Detector de descargas eléctricas. Actualmente existen en el mercado,
instrumentos capaces de detectar las descargas eléctricas, que son la fuente del
daño en los rodamientos por paso de corriente eléctrica. Estos equipos poseen
una antena sensible a los cambios locales en el campo magnético causados por
tales descargas.
Este producto tiene como ventaja el poder utilizarse de forma remota, protegiendo
al usuario de partes en movimiento y energizadas. Su grado de protección es IP
55 (Protección contra polvo y chorros de agua a baja presión). Ver Figura 58.
Otra ventaja del producto es la detección temprana de los eventos que reducen la
vida útil de los rodamientos.
Figura 58 Detector de descargas eléctricas SKF TKED 1
Fuente: Detector de paso de corriente eléctrica SKF TKED 1[en línea]: SKF
Product data Sheet. SKF Maintenance Products. Finlandia. Grupo SKF, 2009.
página [consultado 04 de octubre de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.mapro.skf.com/pub/pds/TKED1_datasheet_sp.pdf
En cada medida, es necesario asegurarse que el detector está a la misma
distancia (la distancia máxima para tomar una muestra representativa es 30 cm) y
dirección del rodamiento. Ver Figura 59.
Además, las medidas en cada motor, deben ser realizadas bajo las mismas
condiciones de operación (temperatura, velocidad, carga, etc.) y de esta manera,
poder establecer una comparación y una tendencia.
El valor entregado por el aparato, equivale al número de descargas detectadas, en
un rango de tiempo establecido por el usuario.
67
En una población de motores, bajo condiciones de carga similares, se asume que
el valor entregado por el equipo no va a diferir ampliamente. Si un motor presenta
una medida significativamente diferente, es más probable que esté sufriendo daño
en sus rodamientos por paso de corriente eléctrica que los demás.
Por ejemplo, si se miden 25 motores y 24 de ellos entregaron valores entre 1100 y
2400 descargas y el último motor tiene una medida de 10000 descargas; es una
fuerte indicación que el motor presente de daño en sus rodamientos por paso de
corriente eléctrica, razón por la cual debe ser chequeado en la primera
oportunidad.
Figura 59 Medición de la cantidad de descargas eléctricas.
Fuente: Detector de paso de corriente eléctrica SKF TKED 1[en línea]: SKF
Product data Sheet. SKF Maintenance Products. Finlandia. Grupo SKF. 2009.
página [consultado 04 de octubre de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.mapro.skf.com/pub/pds/TKED1_datasheet_sp.pdf
68
6. RECOMENDACIONES PARA MITIGAR O CONTROLAR EL PROBLEMA
6.1SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Y CABLEADO DE ALIMENTACIÓN
Figura 60 representa los puntos del sistema variador de frecuencia-motor-carga,
que deben estar correctamente aterrizados.
La conexión que presenta una impedancia igual a cero entre los equipos y tierra
es la situación ideal, sin embargo, existen impedancias diferentes de cero entre el
motor y el variador de frecuencia y entre la carga y otros puntos del sistema de
aterrizamiento.
Figura 60 Sistema apropiado de aterrizaje en el sistema.
Fuente: Baldor Electric Company. Inverter-Driven Induction Motors Shaft and
Bearing Current Solutions. [Publicación]: Baldor Electric Company, 2001.
INDUSTRY WHITE PAPER. [consultado el 21 de Junio de 2009]. Disponible en
Internet: http://www.reliance.com/pdf/motors/whitepapers/raps868.pdf
Si existe un pulso significativo de corriente de alta frecuencia, la corriente se
dividirá a través de los posibles caminos a tierra, en proporción inversa a la
impedancia de cada uno de ellos.
Es importante, proveer el camino de baja impedancia para la corriente de modo
común (corriente generada por el voltaje de modo común), para mantener alejadas
estas corrientes de los rodamientos.
Es de considerar, el camino a tierra entre el motor y el variador de frecuencia. La
magnitud del voltaje en la carcaza del motor, así como la corriente de modo
común, es influenciada por el tipo de tierra y las conexiones del apantallamiento
del cable de alimentación eléctrica entre el variador de frecuencia y el motor.
Los cables con recubrimiento interno continuo de aluminio corrugado (Figura 61),
poseen una baja resistividad en la cubierta alrededor de los conductores de las
69
tres fases, tienen los valores más bajos de corriente de modo común y de voltaje
en la carcaza del motor; por lo tanto, son altamente recomendados. Estos cables
también brindan una baja resistencia e inductancia, lo cual resulta en una mínima
impedancia de alta frecuencia.
Figura 61: cable con recubrimiento corrugado interno de aluminio
Fuente: Continuous Corrugated Aluminum Sheathed PL, MC & MV Industrial
Cables. [en línea]: Canadá: Nexans, Energy Cables Corflex, 2000. [Consultado el
30 de septiembre de 2009] Disponible en internet:
http://www.nexansenergy.com/egy/equip/images/corflex2.jpg
El desempeño óptimo del cable se obtiene cuando el apantallamiento del cable se
conecta a la carcaza del motor y el gabinete del variador de frecuencia a través de
un camino de baja impedancia.
Se recomiendan los conectores del cable que proveen una superficie de contacto
de 360 grados entre el apantallamiento del cable y el conector y el conector y el
motor y la carcaza del variador de frecuencia para proveer estos caminos de baja
impedancia.
Los conductores de tierra dentro del cable, idealmente, deben estar
simétricamente espaciados con respecto a los tres conductores de potencia. La
conexión del apantallamiento y la cubierta del cable así como de los conductores
de tierra en el motor y en los terminales del variador, crea caminos de baja
impedancia y alta frecuencia, para los pulsos de corriente de modo común.
El acabado de los conductores de tierra, de la cubierta del cable y el
apantallamiento deben evitar la adición de impedancia en las conexiones.
Aterrizar estas conexiones en una superficie de tierra preparada para este
propósito es una buena forma de cumplir esto. La caja de conexión del motor debe
estar provista con una platina de conexión a tierra.
Además de los caminos a tierra de baja impedancia entre el motor y el variador, se
deben conectar correas a tierra entre la carcaza del motor y la carcaza de la carga
70
para permitir una baja impedancia, generando caminos alternos para las corrientes
que circulan por el eje.
Esto es particularmente importante en aplicaciones donde el acople que conecta el
eje del motor a la carga es de material conductor y donde los equipos no están en
una base común. La impedancia de alta frecuencia a tierra es más baja en las
correas de aterrizamiento con conductores delgados y con la relación
ancho/longitud más alta posible.
En todos los casos, las correas de aterrizamiento deben conectarse directamente
metal con metal (evitando las superficies pintadas) para proveer el camino de
menor impedancia para las corrientes de alta frecuencia.
6.2 EJE CON CONEXIÓN A TIERRA A TRAVES DE UN ARO
En el marcado existen diferentes dispositivos que conducen o desvían la corriente
que daña los rodamientos, a tierra. Son libres de mantenimiento y cumplen con las
especificaciones API 547 de motores para trabajo severo.
Los dispositivos pueden ser de dos tipos: Anillo de desvío de corriente.
Este dispositivo mostrado en la Figura 62 previene las corrientes parásitas y la
creación de voltajes en el eje que se descargan a través de los rodamientos.
Su propósito es desviar de manera segura a tierra, además, evita que corrientes
parásitas viajen a través del acople a la carga.
El dispositivo no requiere mantenimiento. Existen tres tipos posibles de montaje
para el anillo. Ver Figura 63.
Figura 62 Anillo de desvío de corriente
Fuente: Inpro/Seal CDR [en línea]. USA: Inpro/Seal Company. 2009 [Consultado
el
30 de septiembre de 2009] Disponible en internet: http://www.inproseal.com/CDR/cdr.html
71
Figura 63 Tipos de montaje para el anillo de desvío de corriente.
Fuente: Inpro/Seal CDR [en línea]. USA: Inpro/Seal Company. 2009 [Consultado
el
30 de septiembre de 2009] Disponible en internet: http://www.inproseal.com/pdf/cdr.pdf
• Sello para motor con puesta a tierra. Este dispositivo mostrado en la Figura 64
es la combinación de un sello de protección contra contaminación y un aro de
desvío de corriente a tierra, por lo tanto, presenta sus mismas características y
además, aísla el rodamiento del ambiente externo, previniendo contaminación del
lubricante y de las partes internas del motor. Además de cumplir las
especificaciones API 547, también cumple con las especificaciones IEEE 841.
Figura 64. Sello para motor con puesta a tierra
Fuente: Inpro/Seal CDR [en línea]. USA: Inpro/Seal Company. 2009 [Consultado
el
30 de septiembre de 2009] Disponible en internet: http://www.inproseal.com/CDR/cdr.html
En la Figura 65 se presenta la comparación entre dos mediciones realizadas con
osciloscopio, por la empresa ImproSeal, en un motor con anillo de desvío de
corriente y en uno que no lo tiene, para verificar su efectividad. En las mediciones
se evidenció un voltaje pico en el eje de 28V en el motor sin el anillo y un voltaje
pico de 1,6V en el eje del motor con el anillo.
72
Figura 65 Medición de voltaje en el eje de un motor, con aro de aterrizaje.
Fuente: Inpro/Seal CDR [en línea]. USA: Inpro/Seal Company. 2009 [Consultado
el
30 de septiembre de 2009] Disponible en internet: http://www.inproseal.com/CDR/cdrscope.html
6.3 INSTALACION DE RODAMIENTOS AISLADOS
Los rodamientos aislados como el mostrado en la Figura 66 son una alternativa
para evitar la falla por el paso de corriente a través de los mismos, a través de un
recubrimiento dieléctrico en su superficie.
El recubrimiento consiste en una capa cerámica (oxido de aluminio) de 100 µm de
espesor, en las superficies externas del aro exterior o interior depositado por
medio de un pulverizado de plasma, Ver Figura 67. Con este proceso, el
recubrimiento se aplica inyectando polvo de óxido de aluminio en una corriente de
gas a alta temperatura. El gas plasma calienta el aislante en polvo a un estado
fundido y lo pulveriza en partículas a altas velocidades. El pulverizado de plasma
es extremadamente flexible y resulta ideal para producir una gran variedad de
recubrimientos funcionales.
El recubrimiento garantiza una protección eficaz contra corrientes CA y CC. La
resistencia óhmica mínima es de 50 MΩ a 1000 VCC. El fallo eléctrico del
recubrimiento aislante tiene lugar por encima de los 3000 VCC.
73
Figura 66. Rodamiento Aislado. Nótese el corte en sección de la capa
aislada en ambas pistas.
Fuente: PREISINGER, Gerwin y GRÖSCHL, Martin. Prevention of electric erosion
in bearings. Revista Evolution. [en línea], 16 May 2001, edición 2/01 [consultado el
06
de
Agosto
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://evolution.skf.com/zino.aspx?articleID=336
Las dimensiones exteriores de los rodamientos aislados están de acuerdo a la
norma DIN 616 (ISO 15). Son por esto intercambiables con los rodamientos
estándar.
Figura 67. pulverizado de plasma
Fuente: FAG Schaeffler KG. Current-Insulated Bearings Prevent Damage Caused
by Electrical Current. Technical Product Information. [en línea] 2007. [consultado el
06 de Agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.schaeffler.com/remotemedien/media/_shared_media/library/downloads/
TPI_WL_43-1189_2_de_en.pdf
74
6.3.1 Comportamiento eléctrico del rodamiento. En las aplicaciones de
corriente DC, el recubrimiento aislante actúa como una resistencia pura, donde la
resistencia óhmica R de la capa de óxido de aluminio es la magnitud que importa.
El voltaje de ruptura de la capa estándar es superior a 1000 V DC y la resistencia
es mayor de 50 MÙ, lo cual proporciona un eficaz aislamiento del rodamiento.
En aplicaciones AC, especialmente en accionamientos de velocidad variable
(VFD), es necesario considerar la impedancia del recubrimiento cerámico. En la
Tabla 1 se resumen las principales propiedades eléctricas del rodamiento aislado
INSOCOAT de SKF.
La impedancia describe la relación entre el voltaje y la intensidad en circuitos AC.
El valor de la impedancia depende principalmente de dos características eléctricas
del recubrimiento: la resistencia óhmica y la capacitancia.
Básicamente, un rodamiento aislado actúa como una resistencia y una
capacitancia conectadas en paralelo. Para asegurar un correcto aislamiento, la
resistencia óhmica debe ser tan alta como sea posible y la capacitancia debe ser
tan baja como sea posible.
Tabla 1. Comportamiento eléctrico de rodamientos INSOCOAT® en
aplicaciones DC y AC
Fuente: Rodamientos aislados eléctricamente. [Publicación] Suecia : SKF Group
INSOCOAT, 2003. 5225 Sp. [consultado el 30 de mayo de 2009] Disponible en
Internet: http://www.skf.com/files/190743.pdf
La capacitancia debe ser lo más pequeña posible para neutralizar los efectos de
las corrientes eléctricas de alta frecuencia.
75
La Figura 68 muestra el modelo esquemático de un rodamiento aislado y su
circuito equivalente y la Figura 69 muestra un gráfico típico de la impedancia y
capacitancia de un rodamiento rígido de bolas recubierto en el aro exterior como el
mostrado en la Figura 70.
Figura 68. Modelo esquemático de un rodamiento aislado y su circuito
eléctrico equivalente.
Fuente: PREISINGER, Gerwin y GRÖSCHL, Martin. Prevention of electric erosion
in bearings.. [en línea], Revista Evolution 16 May 2001, edición 2/01 [consultado el
06 de Agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://evolution.skf.com/zino.aspx?articleID=336
Figura 69 Impedancia y Capacitancia en función de la frecuencia para un
rodamiento aislado SKF INSOCOAT® 6316
Fuente: Rodamientos aislados eléctricamente. [Publicación] Suecia : SKF Group,
2003. 5225 Sp. [consultado el 30 de mayo de 2009] Disponible en Internet:
http://www.skf.com/files/190743.pdf
6.3.2 Donde instalar el rodamiento aislado. La norma NEMA MG1 en su parte
31, sección 31.4.4.3 se refiere a los voltajes en el eje y resalta que pueden resultar
en el flujo de corrientes destructivas a través de los rodamientos del motor, la cual
puede generar fallas en los mismos.
76
• Voltaje inducido a través del eje En grandes motores, generalmente,
tamaños superiores a frames NEMA 400, los voltajes en el eje se deben a
asimetrías en la construcción, lo que genera distribuciones asimétricas del campo
magnético en el interior del motor.
Figura 70 Rodamiento aislado rígido de bolas, recubierto en su aro exterior.
Fuente: Stromisolierte Lager. Dresden [en línea] germany: WLT Wälzlagertechnik
GmbH 2009. [Consultado el 10 de septiembre de 2009] Disponible en Internet:
http://wlt.nhm_projekte.de/_my_media/1/1/Lieferprogramm/_tn/171_225_0_braun_
4_096.jpg
Esto resulta un la generación de un voltaje lado a lado del eje o a través del eje y
se presenta un flujo de corriente circular, que se cierra a través de uno de los
rodamientos, la carcasa del motor y luego el segundo rodamiento. Ver Figura 16.
En estos casos, es suficiente con interrumpir el flujo de corriente, aislando uno de
los dos rodamientos del motor.
Si el voltaje en el eje es mayor a 300mV, cuando se mide a través de IEEE 112, se
debe utilizar rodamientos aislados. (National Electrical Manufacturers Association,
NEMA, 2004).
• Voltaje entre el eje y la carcaza del motor Este problema se presenta
generalmente en motores alimentados por variadores de frecuencia y está
asociado a voltajes de modo común. Este voltaje oscila a alta frecuencia y
presenta acople capacitivo con el rotor, lo que resulta en pulsos con valores pico
de 10V a 40V desde el eje a tierra.
El camino de la corriente en este caso puede ser a través de cualquiera de los dos
rodamientos o ambos, a tierra. Ver Figura 15.
77
Este tipo de situaciones requieren aislar ambos rodamientos. Debe anotarse que,
el aislar los rodamientos del motor, no previene el daño de los equipos acoplados
al eje.
6.4 INSTALACION DE RODAMIENTOS HÍBRIDOS
Una alternativa interesante a los rodamientos recubiertos son los rodamientos
híbridos con aros de acero y bolas o rodillos de cerámica. Los elementos rodantes
proporcionan el aislamiento eléctrico requerido.
Los aros de los rodamientos híbridos están hechos de acero para rodamientos y
los elementos rodantes de nitruro de silicio (Si3N4), este material posee gran
capacidad para aislar la electricidad. Ver Figura 71.
Además de ser unos excelentes aislantes eléctricos, los rodamientos híbridos
pueden alcanzar una velocidad más alta y asegurar una mayor vida útil que los
rodamientos hechos completamente de acero, en la mayoría de las aplicaciones.
La densidad del nitruro de silicio es de solamente el 40 % de la densidad del acero
para rodamientos. Por tanto los elementos rodantes pesan menos y tienen una
inercia menor. Esto implica menos tensión en la jaula durante los arranques y las
paradas rápidos, además de una fricción considerablemente menor a velocidades
altas. Una fricción menor, significa que el rodamiento funciona a temperaturas más
bajas y una larga vida útil del lubricante. Los rodamientos híbridos son por tanto,
apropiados para las altas velocidades de giro.
Una lubricación insuficiente no produce adherencias entre el nitruro de silicio y el
acero. Esto permite que los rodamientos híbridos duren mucho más en
aplicaciones que funcionen bajo condiciones dinámicas severas o bajo
condiciones de lubricación con una baja viscosidad de funcionamiento.
El nitruro de silicio presenta una mayor dureza y una mayor elasticidad que el
acero, lo que hace que el rodamiento tenga una mayor rigidez y una mayor vida
útil en entornos contaminados.
Los elementos rodantes de nitruro de silicio presentan una menor expansión
térmica que los elementos rodantes de acero de tamaño similar. Esto implica una
menor sensibilidad a la temperatura dentro del rodamiento y un control de
precarga más preciso.
78
Figura 71 Rodamiento Híbrido
Fuente: Prevención de daños en rodamientos por erosión eléctrica en los motores
de electrodomésticos [en línea]: Electricidad y Electrónica. Molins de Rei. España:
Interempresas.net. 2010. [Consultado el 20 de septiembre de 2009] Disponible en
internet: http://www.interempresas.net/fotos/239292.jpeg
Las precauciones generales que se deben tener en cuenta con los rodamientos se
muestran en la Figura 72 y son:
• Nunca golpee un rodamiento con un martillo, o una herramienta similar.
• Nunca deje caer el rodamiento
• No instale el rodamiento, si este posee defectos visibles en su superficie.
Figura 72 Precauciones generales a tener en cuenta con los rodamientos.
Fuente: Insulated Bearings Megaohm Series Cat. No. 3030/E [en línea]: Japón:
NTN corporation. 2006. [Consultado el 20 de septiembre de 2009] Disponible en
internet: http://www.ntn.co.jp/english/products/pdf/megaohm/pdf/Megaohm.pdf
79
6.5 APLICACIÓN DE GRASA CONDUCTORA
La grasa conductora de la electricidad, provee un camino a tierra a través de los
rodamientos del motor, evitando descargas eléctricas dañinas, que llevan al
rodamiento a una condición de falla.
Todas las grasas están hechas de dos componentes principales: Un aceite que
lubrica y en espesante que mantiene el aceite en su lugar.
Tradicionalmente, las grasas conductoras, no han sido buenos lubricantes, pues
son hechas con mezclas de aceite y espesantes con bases metálicas o mezclas
de partículas de cobre, plata o carbón con aceite. Si bien estos materiales son
conductores, también son abrasivos, lo cual no es deseable en una grasa
lubricante. Mas aun, la conductividad de las formulaciones metálicas de los
espesantes de las grasas conductoras, han tenido por lo general, una corta
duración en la operación, bajo esfuerzos cortantes, la matriz de partículas
conductoras se puede romper, lo cual hace que la grasa pierda sus propiedades
conductoras.
Hoy en día existen en el mercado, grasas lubricantes eléctricamente conductoras,
compuestas de ésteres sintéticos y un jabón de base espesante de litio, de baja
viscosidad. Estos componentes no son conductores, pero su sinergia crea un
camino químico que permite la transferencia eficiente de corriente a tierra.
Este tipo de grasas pueden alcanzar una resistividad volumétrica de 300 Ω-cm, la
cual es comparable o menor que la resistividad de las grasas basadas en aditivos
y espesantes conductores.
Este tipo de grasas conductoras, proporcionan un camino a tierra, a través de los
rodamientos, reduciendo así, la probabilidad de la ocurrencia de descargas
eléctricas, que producen daños en los elementos rodantes y en las pistas de los
rodamientos del motor.
En un estudio realizado por St. PIERRE, Nicole. WEIKEL, Jay, usando un motor
DC de 25HP, 1150 rpm, 500V, se midió el voltaje en el eje con un osciloscopio
digital. Sin la utilización de grasa conductora, haciendo lecturas a 75% de la
velocidad nominal se encontraron niveles de voltaje en el eje de 60V. (Capturing
the Synergistic Effect of Additives To Formulate a Long-Life, Electrically
Conductive Bearing Grease, 2002)
Utilizando grasa conductora, se encontraron niveles de voltaje en el eje por debajo
de 2V, el cual es un nivel seguro para los rodamientos.
80
6.6 UTILIZACION DE JAULAS DE FARADAY EN EL MOTOR
La jaula de Faraday se basa en el efecto descubierto por el físico y químico
británico, Michael Faraday (1791-1867), la jaula de Faraday provoca que el campo
electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea cero, anulando el
efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está
sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda
cargado positivamente en la dirección del campo electromagnético, y cargado
negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado,
este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al
campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor
será igual a cero.
Un ejemplo simple de jaula de Faraday es la estructura de un avión, que lo
protege de descargas atmosféricas y se muestra en la Figura 73.
Figura 73 Avión Impactado por una descarga atmosférica en Osaka Japón.
Fuente: Rayo impactando contra un avión en Osaka. [en línea]: España: Gizmodo,
The gadgets Weblog. 2010. [Consultado el 20 de septiembre de 2009] Disponible
en internet: http://www.gizmodo.es/wp-content/uploads/2007/08/lighting-plane.jpg
En los motores eléctricos, la tecnología CurrentShield®, propiedad de Reliance
Electric elimina la corriente en el eje en la fuente, a través del uso de un material
conductor, que genera una jaula de Faraday.
La jaula de Faraday significa que la carga eléctrica en el conductor, permanece en
su superficie externa. En este caso, la jaula se ubica entre el bobinado del estator
y el rotor, ver Figura 74, formando un tubo conductor en el motor, que conduce la
corriente a tierra, por lo tanto, no se presenta campo electrostático en el interior
del motor.
Entres otras ventajas, la jaula de Faraday elimina las corrientes en el eje, su vida
útil es la vida del motor y no requiere mantenimiento
81
Figura 74 Motor con tecnología CurrentShield® que incorpora una jaula de
Faraday.
Fuente: CurrentShield Technology [en línea]: Motors & Drives for Cleanroom
Applications. USA: Baldor Electric Company, 2010 [consultado 04 de octubre de
2009]. Disponible en Internet:
http://www.reliance.com/prodserv/standriv/d7723/images/d7723fig10.gif
6.7 INSTALACION DE FILTROS EN EL VARIADOR DE FRECUENCIA
A continuación se describen los principales diseños de filtros usados en la salida
de los variadores de frecuencia.
6.7.1 Reactores dv/dt. Constan de tres bobinas que se insertan en las fases del
motor, con inductancia L (Ver Figura 75). La función de estas bobinas, es
incrementar el tiempo rise Tr y reducir por lo tanto el incremento de cambio de
voltaje dv/dt (ver Figura 14).
La
Ecuación 3 representa la caída de voltaje Vk en el reactor.
vk =
Vk
Ir
= 2πf sr L
∝L
Vsr
Vsr
Ecuación 3
Donde,
vk= Caída nominal de voltaje en el reactor.
Vk= Valor rms de caída de voltaje en el reactor.
Vsr= Voltaje nominal del motor (RMS)
Fsr= Frecuencia nominal del motor
Ir=
Corriente nominal del motor (RMS)
82
Estos reactores dv/dt han sido tradicionalmente diseñados para reducir las
corrientes capacitivas en el cable de alimentación del motor. Ver Ecuación 4
IcCap = C cable
dv
dt
Estos reactores son especialmente recomendados, cuando la longitud del cable es
elevada, lo cual hace que aumente la capacitancia del cable. A medida que se
reduce el dv/dt, se obtiene una reducción en la corriente capacitiva del cable.
Figura 75 Reactor dv/dt
6.7.2 Filtros Sinusoidales. Constan de tres reactores por fase, con inductancia
de fase L y tres condensadores, con capacitancia línea a tierra Clg y capacitancia
de línea a línea Cll, formando un filtro pasa bajo. Ver Figura 76.
Los voltajes de frecuencias por debajo de la frecuencia de resonancia Fo, pasan
sin reducción de amplitud, mientras que las señales de voltajes con frecuencias
F>Fo son disminuidos con 1/f2, en consecuencia, con 40 dB/decada.
fo =
1
2π LF C LG
=
1
2π 3LF C LL
Ecuación 5
Por lo general, la frecuencia de resonancia Fo, debe estar por encima de la
frecuencia fundamental de variador de velocidad y el valor de LF es mucho menor
que en los filtros dv/dt, para evitar la caída de voltaje vk.
En este tipo de filtros no suprime el voltaje de modo común, además, son costosos
y de gran tamaño.
83
Figura 76 Filtro Sinusoidal
Fuente: Bearing Currents in Inverter-Fed AC-Motors [en línea] Darmstadt,
Alemania: Technischen Universitaet Darmstadt, 2003 [consultado 04 de
septiembre de 2009]. Disponible en Internet: http://www.ew.e-technik.tudarmstadt.de/cms/fileadmin/pdf/Dissannette.pdf
6.7.3 Filtros dv/dt. Los filtros dv/dt, son componentes RLC, con resistencia para
atenuar los componentes de alta frecuencia. Ver Figura 77.
La diferencia principal con los filtros sinusoidales, es que la frecuencia de
resonancia Fo es mucho mayor que la frecuencia de conmutación o interrupcion
del variador de velocidad Fc, debido a los pequeños valores de L y C. Por esta
razón, estos filtros son más pequeños y de menor costo.
Figura 77 Filtro dv/dt
Fuente: Bearing Currents in Inverter-Fed AC-Motors [en línea] Darmstadt,
Alemania: Technischen Universitaet Darmstadt, 2003 [consultado 04 de
septiembre de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.ew.e-technik.tu-darmstadt.de/cms/fileadmin/pdf/Dissannette.pdf
84
6.7.4 Supresores de modo común. Son bobinas diseñadas y construidas
especialmente, para suprimir la corriente de secuencia cero. Ver
Figura 78. Las tres fases se enrollan generalmente, en la misma dirección,
alrededor de un núcleo común. De esta manera, se tiene una inductancia Lcom en
el sistema de secuencia cero, lo cual suprime la corriente icom. Un sistema
simétrico de corrientes trifásicas, iu, iv e iw, (a una frecuencia arbitraria) no tiene
componentes de secuencia cero, entonces, icom = 3 (iu + iv + iw) = 0. Por lo tanto,
no existe un flujo resultante, generado por el sistema trifásico simétrico.
La inductancia de secuencia cero Lcom reduce el rizado de la corriente icom, pero no
el voltaje de secuencia cero Vcom, el cual es suministrado por el variador de
velocidad, dicom/dt = Vcom/Lcom. Por lo tanto, el voltaje de modo común no es
afectado por el supresor de modo común.
Figura 78 Supresor de modo común
Fuente: Bearing Currents in Inverter-Fed AC-Motors [en línea] Darmstadt,
Alemania: Technischen Universitaet Darmstadt, 2003 [consultado 04 de
septiembre de 2009]. Disponible en Internet: http://www.ew.e-technik.tudarmstadt.de/cms/fileadmin/pdf/Dissannette.pdf
6.7.5 Filtros de modo común. Son filtros diseñados para eliminar los
componentes de alta frecuencia del voltaje de modo común. La Figura 79 muestra
el diseño del filtro CMF11. El voltaje de modo común Vcom está dado por la
diferencia de potencial del nodo 1 y el nodo 2.
Uniendo estos dos nodos, a los terminales positivo y negativo del bus DC, se
suprimen las oscilaciones de Vcom, causadas por las conmutaciones o
interrupciones del variador de velocidad. El condensador mantiene el potencial
positivo y negativo del bus DC en un nivel fijo.
85
Figura 79 Filtro de modo común.
Fuente: Bearing Currents in Inverter-Fed AC-Motors [en línea] Darmstadt,
Alemania: Technischen Universitaet Darmstadt, 2003 [consultado 04 de
septiembre de 2009]. Disponible en Internet: http://www.ew.e-technik.tudarmstadt.de/cms/fileadmin/pdf/Dissannette.pdf
6.8 UTILIZACION DE ACOPLES AISLADOS ELECTRICAMENTE PARA LA
TRANSMISION DE LA POTENCIA MECANICA
Las corrientes inducidas por efecto de los variadores de velocidad, tienen el
potencial de circular a tierra, a través de la carga o del equipo que esté siendo
conducido por el motor, causando daño a los rodamientos y/o al acople. Existen
dos componentes de corriente, que pueden pasar a través del acople: Una debido
a acoples capacitivos en el entrehierro (color verde en la Figura 80) y la otra
debido a corrientes de modo común desde el núcleo del estator a la carga (color
dorado en la Figura 80). Este flujo de corriente puede ser eliminado con el uso de
un acople aislado. Cabe anotar que al eliminar el flujo de corriente por el acople,
debe haber un aumento del flujo de corriente a los rodamientos del motor, que de
otra manera, es el único camino a tierra.
Figura 80 Corrientes que viajan por el acople de la maquina
Fuente: Baldor Electric Company. Inverter-Driven Induction Motors Shaft and
Bearing Current Solutions. [Publicación]: Baldor Electric Company, 2001.
INDUSTRY WHITE PAPER. . [consultado el 21 de Junio de 2009]. Disponible en
Internet: http://www.reliance.com/pdf/motors/whitepapers/raps868.pdf
86
En el mercado, existen acoples aislados, como el Falk Lifelign® Gear Coupling,
Tipo GP (mostrado en la Figura 81), el cual consiste en el cuerpo estándar falk. La
platina aislante esta hecha de material fenólico grado NEMA LE y los bujes y
arandelas, de material fenólico grado NEMA G9.
Figura 81. Acople aislado Falk Tipo GP
Fuente: Gear Couplings [en línea]: Type GP Insulated Coupling. USA: rexnord
Falk Lifelign, 2008 [consultado 04 de octubre de 2009]. Disponible en Internet:
http://pt.rexnord.com/products/couplings/lifelign_gear_couplings/lifelign-couplingsavailable-types.asp
87
7.CASOS DE APLICACIÓN: FALLA EN RODAMIENTOS POR PASO
DE CORRIENTE ELÉCTRICA
7.1 CASO 1 – JUNIO DE 2009.
Falla ocurrida en los rodamientos de un motor trifásico de inducción que acciona
una bomba centrífuga en una compañía papelera. El equipo corresponde a la
bomba del formador No1, Ubicación Técnica PCM1M315, BBA FORMADOR 1, en
el molino No 1 de una compañía papelera en Colombia. Ver Figura 82.
Figura 82. Conjunto motor y bomba del formador No1
El molino No 1, es una máquina papelera cuyo principio de formación de papel es
a través de cilindros y baños de pulpa. Estos cilindros tienen en su periferia dos
mallas, mesh 14 y mesh 40 y trabajan en conjunto con un rodillo de caucho, a
través de los cuales pasa un fieltro. A este conjunto se le conoce como
formadores.
La bomba en cuestión envía pulpa de madera hacia los formadores para iniciar el
proceso papelero. El motor que acciona la bomba posee un control de velocidad, a
través de un variador de frecuencia, para regular el flujo de pulpa hacia los
formadores.
7.2 DATOS DE LOS EQUIPOS DEL SISTEMA
7.2.1 Motor. Marca Baldor. Tensión nominal 460V, Potencia: 75 HP, Velocidad
nominal: 1780 rpm, Corriente Nominal: 84A, Frame: 365T, Rodamientos: Lado
Acople: SKF 6313, Lado Libre: SKF 6312, Código del Equipo: MEMOT21934. Ver
Figura 83.
88
Figura 83. Motor con problemas de paso de corriente a través de los
rodamientos
7.2.2 Variador de frecuencia. Marca Allen Bradley. Serie 1336 Plus II. Potencia:
75 HP. 460V.
Tecnología PWM con IGBT. Frecuencia de salida 0-400Hz.
Control a través de U/Hz o Sensorless Vector, Código del Equipo: MEDRV1-665.
Ver Figura 84.
Figura 84. Variador de frecuencia Allen Bradley Bradley. Serie 1336 Plus II.
El variador de frecuencia cuenta con una bobina trifásica de entrada mostrada en
la Figura 85 de 0.3mH
89
Figura 85. Bobina trifásica de entrada al variador de frecuencia
7.2.3 Bomba. Bomba centrífuga Marca ABS. Serie Scanpump process NB. 6x613, Código del Equipo: MMBBA1-193. Ver Figura 82. El motor esta acoplado a la
bomba por medio de un acople directo con extensión.
7.3 ANÁLISIS DE LOS DATOS TOMADOS EN CAMPO
El departamento de mantenimiento predictivo, toma espectros de la vibración al
conjunto de manera periódica.
En la Figura 86 se puede apreciar el cambio en la tendencia de las vibraciones,
tomadas el 6 de abril de 2009, el 15 de mayo de 2009 y el 18 de junio de 2009.
En el espectro en el dominio de la frecuencia de la Figura 87, tomado el 18 de
junio de 2009 en la dirección horizontal del lado acople del motor, se observa una
frecuencia asincrónica de 3109.4 cpm, la cual se relaciona con las frecuencias de
falla en la pista externa de los rodamientos (BPFO). Este set de frecuencias se
logra en el software MasterTrend®.
Este set de frecuencias de falla evidencia un daño físico en el rodamiento del lado
acople del motor, lo cual pone en riesgo la producción del molino por una parada
no programada.
90
Figura 86 Tendencia de las últimas tres mediciones.
R127 - BOMBA FORMADOR No1
[M1-M3-15]-2HM LADO ACOPLE MOTOR
Max Amp
.26
RMS Velocity in mm/Sec
Plot
Scale
0.30
18-Jun-09
08:02:47
0
13-May-09
15:19:50
0
20000
06-Abr-09
14:21:22
Freq:
60000
Ordr:
Sp 3:
40000
Frequency in CPM
3109.4
3.101
.01337
Figura 87. Espectro del punto más crítico.
R127 - BOMBA FORMADOR No1
[M1-M3-15]-2HM LADO ACOPLE MOTOR
0.18
RMS Velocity in mm/Sec
I
I
I
I
I
I
I
I
I
Route Spectrum
18-Jun-09 08:02:47
I
0.15
OVERALL= .4520 V-DG
RMS = .4502
LOAD = 100.0
RPM = 1003. (16.71 Hz)
0.12
>SKF 6313
I=BPFO: 3079.
0.09
0.06
0.03
0
0
20000
40000
Frequency in CPM
60000
Freq: 3109.4
Ordr: 3.101
Spec: .01337
Se generó aviso de mantenimiento en el sistema SAP® No. 10591640 y Se
recomendó el cambio de los rodamientos lo más pronto posible.
Como un medio para prolongar la vida del motor, se sugiere lubricar los
rodamientos hasta que el cambio sea realizado.
91
Se evidencia que este tipo de problemas, aparecen en el espectro vibratorio en el
dominio de la frecuencia, en primera instancia como una falla en el rodamiento,
que puede ser en la pista externa o en la pista interna, pero solo el uso de otras
herramientas o la experiencia del analista, se puede hacer un diagnostico acertado
del tipo de falla que experimenta el equipo, de otro modo, solo hasta desarmar el
equipo y desinstalar los rodamientos, se podrá evidenciar el tipo de falla
El rodamiento fue desarmado para el cambio de rodamientos y se verificó el tipo
de falla en los mismos. En la Figura 88 y en la Figura 89 se observa que la falla en
rodamiento se debe al paso de corriente eléctrica, con el clásico patrón que las
caracteriza.
Figura 88. Rodamiento lado acople SKF 6313-2Z.
Figura 89. Rodamiento lado acople SKF 6313-2Z
7.4 CASO 2 – FEBRERO DE 2005
Dentro de una compañía papelera en el sur occidente colombiano, el molino No 4
(Figura 90) es una máquina papelera cuya transmisión en su totalidad es a través
de motores AC (Marca Marathon) y accionamientos de frecuencia variable (Marca
92
Eurotherm). Estos motores históricamente han sufrido fallas por paso de corriente
a través de los rodamientos, razón por la cual se les han instalado rodamientos
aislados.
Figura 90. Mesa de formación de la Máquina Papelera No 4
Ahora, se tiene un problema en uno de los rodamientos del reductor que transmite
movimiento a la primera sección de secadores de papel, el cual es movido por uno
de estos motores.
Datos del reductor:
Marca Rexnord FALK 405 A2-CS RATIO 8.147:1 ASSY 25 M.O
Rodamiento: TIMKEM 5584/5535, Ubicación Técnica: PFM4PR12, TRANSMISION
PRENSA 2, Código del Equipo: MMRED3-430
El 25 de febrero se tomaron espectros de vibración al conjunto motor, reductor.
Los resultados fueron analizados mediante la técnica PkVue (Ver página 62),
encontrándose una falla en la pista externa del rodamiento lado motor del reductor
de la primera sección de secadores.
El análisis fue realizado a alta frecuencia (120.00 CPM) y con alta definición (3200
líneas) encontrándose una perfecta concordancia con las frecuencias de falla BPFI
y bandas laterales para el rodamiento TIMKEM 5584. Ver Figura 91.
93
Figura 91. Espectro de vibración rodamiento lado acople del reductor con
falla en pista externa del BPFO
M202 - SEGUNDA PRENSA INFERIOR
PFM4PR12 -3HR LADO ACOPLE REDUCTOR [H.S.]
1.2
I
I
I
I
I
I
I
I
I
Analyze Spectrum
25-Feb-05 08:08:36
(PkVue-HP 2000 Hz)
RMS = 1.84
CARGA = 100.0
RPM = 1612. (26.87 Hz)
RMS Acceleration in G-s
0.9
>EX. PFM4PR12
>>TMK 5584/5535
I=BPFO SHFT 1-IO: 13.20
0.6
0.3
0
0
30
60
Frequency in kCPM
90
120
Freq:
Ordr:
Spec:
Dfrq:
79.20
49.13
.189
13.18
Se generaron entonces los avisos de mantenimiento en el sistema SAP 10303654
(
Figura 92) para cambiar el rodamiento al reductor y 10307627 (Figura 93) para
instalar una tierra común entre el motor y el reductor y así evitar fallas futuras por
la misma causa.
Figura 92. Aviso de Mantenimiento en el sistema SAP
94
Figura 93. Aviso de Mantenimiento en el sistema SAP
95
La Figura 94 y la Figura 95 muestran el rodamiento, una vez fue desintalado del
reductor para su cambio. El mismo revela la falla por paso de corriente eléctrica.
Figura 94. Falla en la pista externa por paso de corriente
Figura 95. Evidencia de ‘fluting’ por paso de corriente a través del
rodamiento
96
97
8. CONCLUSIONES
Los accionamientos de frecuencia variable, son cada vez más usados en la
industria, debido a precios más accesibles, a interfaces de usuario más amigables,
posibilidades de control fino de procesos y al uso eficiente de la energética
eléctrica en los sistemas.
El uso de los accionamientos anteriormente mencionados ha traído consigo
problemas asociados como descargas eléctricas que generan corrientes que
fluyen a través de los rodamientos de los motores, causando daños mecánicos en
los motores y paradas no programadas en los procesos industriales.
Se muestra que el origen de las corrientes que fluyen a través de los rodamientos
es causado por la alimentación del motor usando accionamientos de frecuencia
variable y también son generados por la asimetría eléctrica y magnética en la
construcción misma del motor. Esta última causa no fue objeto de estudio.
Los accionamientos de frecuencia variable pueden generar corrientes que
atraviesan los rodamientos por dos causas: Los voltajes y corrientes de modo
común y los efectos de los acoples capacitivos de alta frecuencia.
Los voltajes y corrientes de modo común se producen debido a que la suma en el
neutro de los tres voltajes de salida del variador de frecuencia no es igual a cero,
como si ocurre en un sistema trifásico simétrico balanceado. Este voltaje propicia
una tensión inducida en el eje que se descarga a través de los rodamientos del
motor.
Los efectos de los acoples capacitivos de alta frecuencia se generan debido a las
altas frecuencias de conmutación del accionamiento de frecuencia variable que
producen capacitancia parásita entre bobinas y tierra y entre bobinas y eje, similar
a las capacitancias línea a tierra que se producen en las líneas de transmisión de
larga longitud. Esto genera una acumulación de voltaje en la capacitancia parasita,
eje-tierra, que produce una descarga de corriente a través de los rodamientos, una
vez que el nivel de voltaje es superior a la rigidez dieléctrica del lubricante.
Los fallos en los rodamientos por paso de corriente eléctrica, en sus etapas
iniciales, se presentan como picaduras conocidas como ‘pitting’ en los caminos de
rodadura de las pistas del mismo. A medida que el fenómeno continua, las
picaduras se superponen y forman patrones conocidos como ‘fluting’. Este
fenómeno se puede diagnosticar a través del análisis de las vibraciones
mecánicas, el cual aparece como falla en la pista externa del rodamiento BPFO.
Adicionalmente, existen otros métodos para el diagnóstico, como son las
mediciones directamente sobre el eje del voltaje acumulado o medir las descargas
eléctricas en el interior del motor.
98
Existen métodos para eliminar las corrientes dañinas producidas por los
variadores de frecuencia, como los correctos sistemas de aterrizamiento de los
componentes involucrados en el sistema o los motores con jaulas de Faraday, que
eliminan estas corrientes parásitas.
Otros métodos, mitigan el fenómeno, al desviar las corrientes, lejos de los
rodamientos de los motores o de la carga, como es el caso de rodamientos
aislados, acoples aislados o anillos para aterrizar el eje.
Se presentó un caso real en una maquina papelera en la industria vallecaucana, el
cual mostró la progresión de la falla a través de tendencias en los espectros de
vibración y mostró como las fallas por paso de corriente eléctrica a través de los
rodamientos se manifiestan con frecuencias asíncronas típicas de BPFO o fallas
en la pista externa de los mismo.
99
BIBLIOGRAFÍA
Bearing currents in modern AC drive systems. Helsinki. FINLAND : ABB
Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5.
Avoiding Current-Induced Bearing Failure in Electric Motor-Driven Paper Mill
Systems. SCHIFERL, Rich y MELFI, Mike. Octubre, 2002. 10, Boston, USA : RISI,
Inc, Octubre, 2002, Vol. 76. Pulp&Paper.
Baldor Electric Company. Inverter-Driven Induction Motors Shaft and Bearing
Current Solutions. [Publicación]: Baldor Electric Company, 2001. INDUSTRY
WHITE PAPER. . [consultado el 21 de Junio de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.reliance.com/pdf/motors/whitepapers/raps868.pdf
Bearing currents in modern AC drive systems. [Publicación] Helsinki. FINLAND:
ABB Automation Group Ltd, 1999. Technical Guide No.5. [consultado el 05 de
Mayo de 2009]. Disponible en Internet:
http://library.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/21ffaa7522ebdf98c1256
d280040db60/$File/ABB_Technical_Guide_5.pdf
Bearing Fluting. IEEE Industry Applications Society. [En línea] IEEE,
Septiembre/Octubre de 2002. Vol.8, No.5, p 53-57. [consultado el 21 de mayo de
2009] Disponible en Internet: www.ieee.org/ias.
Continuous Corrugated Aluminum Sheathed PL, MC & MV Industrial Cables. [en
línea]: Canadá: Nexans, Energy Cables Corflex, 2000. [Consultado el 30 de
septiembre de 2009] Disponible en internet:
http://www.nexansenergy.com/egy/equip/images/corflex2.jpg
CSI 2130 Machinery Health Analyzer [en línea]. USA: Emerson Process
Management. 2009. [Consultado el 20 de agosto de 2009] Disponible en internet:
http://www2.emersonprocess.com
CurrentShield Technology [en línea]: Motors & Drives for Cleanroom Applications.
USA: Baldor Electric Company, 2010 [consultado 04 de octubre de 2009].
Disponible en Internet:
Detection of electrical discharges in bearings. [en línea] Suecia: SKF Maintenance
Products., 2008. [consultado el 17 de agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.mapro.skf.com/new_products/TKED1/whitepaper/SKF_WhitePaper_ED
D.pdf
100
Detector de paso de corriente eléctrica SKF TKED 1[en línea]: SKF Product data
Sheet. SKF Maintenance Products. Finlandia. Grupo SKF.
2009. página
[consultado
04
de
octubre
de
2009].
Disponible
en
Internet:
http://www.mapro.skf.com/pub/pds/TKED1_datasheet_sp.pdf
Direct Industry [en línea]. USA. Virtual industrial exhibition. Año 2009. [Consultado
el 20 de mayo de 2009] Disponible en Internet:
http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/schottky-emission-scanningelectron-microscope-sesem-237074.jpg
DoctorKnow Application Paper. [en línea]: Bearing Damage Resulting From Shaft
Voltages and Currents. USA: Computational Systems, Inc. [Consultado el 20 de
agosto de 2009] Disponible en Internet:
http://www.compsys.com/DRKNOW/APLPAPR.NSF/apweb/5297C0486590820385
2565A20062F412?OpenDocument
Effects of Mounting on Resonant Frequency. [en línea]: Behavior of
Accelerometers. USA: The Modal Shop, Inc. 2010. [Consultado el 20 de agosto
de 2009] Disponible en Internet: http://www.modalshop.com/filelibrary/Mountingeffects-on-resonance.jpg
Enciclopedia Británica - The Online Encyclopedia [en línea]. Chicago, Illinois:
Encyclopædia Britannica, Inc, 2010. [Consultado el 20 de abril de 2009].
Disponible en Internet: http://www.britannica.com/
FAG Schaeffler KG. Current-Insulated Bearings Prevent Damage Caused by
Electrical Current. Technical Product Information. [en línea] 2007. [consultado el 06
de Agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.schaeffler.com/remotemedien/media/_shared_media/library/downloads/
TPI_WL_43-1189_2_de_en.pdf
Gear Couplings [en línea]: Type GP Insulated Coupling. USA: rexnord Falk
Lifelign, 2008 [consultado 04 de octubre de 2009]. Disponible en Internet:
http://pt.rexnord.com/products/couplings/lifelign_gear_couplings/lifelign-couplingsavailable-types.asp
Hugh, B y Hodges, G. 2002. Bearing Fluting. IEEE Industry Applications Society.
[En línea] IEEE, Semtiembre/Octubre de 2002. www.ieee.org/ias. Vol.8, No.5, pp
53-57.
Inpro/Seal CDR [en línea]. USA: Inpro/Seal Company. 2009 [Consultado el 30 de
septiembre de 2009] Disponible en internet: http://www.inproseal.com/CDR/cdr.html
101
Insulated Bearings Megaohm Series Cat. No. 3030/E [en línea]: Japón: NTN
corporation. 2006. [Consultado el 20 de septiembre de 2009] Disponible en
internet: http://www.ntn.co.jp/english/products/pdf/megaohm/pdf/Megaohm.pdf
Introducción al Análisis de Vibraciones. Woburn, MA 01801 [en línea]. U.S.A :
Azima DLI, 1990-2010. [consultado el 21 de Junio de 2009]. Disponible en
Internet: http://www.azimainc.com/vibman-spanish/introduccin1.htm
KOSOW, Irving L. 1991. Maquinas electricas y transformadores. 2 ed. Mexico:
Prentice Hall, 1991. 704 p.
Motors and Drives. A Practical Technology Guide. North Carolina, USA: ISAInstrumentation, Systems, and Automation Society. 2003.
Model 786A General purpose accelerometer [en línea]. USA: p Wilcoxon
Research, Inc. 2007. [Consultado el 5 de agosto de 2010] Disponible en internet:
http://www.wilcoxon.com/prodpdf/786A%2098692a3.pdf
Motor Construction [en línea]. USA: Reliance Electric, 2010. [Consultado el 20 de
abril de 2009] Disponible en Internet:
http://www.reliance.com/mtr/images/cutaway.gif
Motor de Jaula [en línea]. España: Proyecto de ingeniería inversa, 2007.
[Consultado el 20 de abril de 2009] Disponible en Internet:
http://grupo5.files.wordpress.com/2007/04/motor-de-jaula.gif
National Electrical Manufacturers Association, NEMA. 2007. Application Guide for
AC Adjustables Speed Drive Systems. [En línea] 2007. [consultado el 06 de
Agosto de 2009]. Disponible en Internet:
http://www.nema.org/stds/acadjustable.cfm#download.
NEMA MG1-1993, Revisión 1-2004. [Estándar] Rosslyn, USA: National Electrical
Manufacturers Association, NEMA, 2004.
NSK Bearing Doctor. Diagnóstico Rápido de Fallas en Rodamiento. [En línea] NSK
Corporation. Product Application Notes, Enero de 2004. [consultado el 06 de
Agosto de 2009] Disponible en Internet:
http://www.mx.nsk.com/Catalagos/NSK%20Cat%20Bearing%20Doc%20Espanhol.
pdf
Peligro Partes En Movimientos [en línea] Mexico: Industrias RYMEX, SA de CV.
2009. [[Consultado el
20 de agosto de 2009]] Disponible en internet:
http://industriasrymex.com/tienda/images/141.jpg
102
POLKA, Dave. What is a motor drive?: A Primer. [en línea], New Berlin, Wisconsin,
USA: ABB Press Release, 2006 [Consultado el 2 de mayo de 2009] Disponible en
Internet: http://www.abb.us/drives
PREISINGER, Gerwin y GRÖSCHL, Martin. Prevention of electric erosion in
bearings. Revista Evolution. [en línea], 16 May 2001, edición 2/01 [consultado el
06
de
Agosto
de
2009].
Disponible
en
Internet:http://evolution.skf.com/zino.aspx?articleID=336
Prevención de daños en rodamientos por erosión eléctrica en los motores de
electrodomésticos [en línea]: Electricidad y Electrónica. Molins de Rei. España:
Interempresas.net. 2010. [Consultado el 20 de septiembre de 2009] Disponible en
internet: http://www.interempresas.net/fotos/239292.jpeg
QUISPE, Enrique, GONZALEZ, Gabriel y AGUADO, Jair. Influence of Unbalanced
and Waveform Voltage on the Performance Characteristics of Three-phase
Induction Motors. [Documento Técnico] Cali, Colombia : Grupo de Investigación en
Energías GIEN-UAO, Departamento de Energética y Electrónica. Universidad
Autónoma de Occidente. 2004. 5 p.
Rayo impactando contra un avión en Osaka. [en línea]: España: Gizmodo, The
gadgets Weblog. 2010. [Consultado el 20 de septiembre de 2009] Disponible en
internet: http://www.gizmodo.es/wp-content/uploads/2007/08/lighting-plane.jpg
Rodamientos aislados eléctricamente [en línea] Suecia: SKF Group. INSOCOAT,
2003. 5225 Sp. [consultado el 30 de mayo de 2009] Disponible en Internet:
http://www.skf.com/files/190743.pdf
Shaft Voltage Probe [en línea]. USA: AEGIS Bearing Protection Ring. EST Electro
Static Technology AEGIS SVP, 2009. [Consultado el 3 de agosto de 2009]
Disponible en internet:
http://www.estaegis.com/datasheets/ProbeDatasheetform800-1.pdf
Signal processing for effective vibration analysis. [en línea]. Ohio. USA: IRD
Mechanalysis, Inc. 1995. IRD Mechanalysis, Inc. [consultado el 17 de agosto de
2009]. Disponible en Internet:
http://www.irdbalancing.com/downloads/SIGCOND2_2.pdf
Sistema de Información Científica Redalyc [en línea] Mexico: Red de Revistas
Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal, 2009 [Consultado el
20
de
agosto
de
2009]
Disponible
en
internet:
http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/html/707/70770108/pg_0011.jpg
103
SIMONCIC, David A. DC Motor And Control Problem Detection Using Vibration
Analysis, Charlotte: Technical Associates Of Charlotte Inc., 1994 127 p.
Stromisolierte Lager. Dresden [en línea] germany: WLT Wälzlagertechnik GmbH
2009. [Consultado el 10 de septiembre de 2009] Disponible en Internet:
http://wlt.nhm_projekte.de/_my_media/1/1/Lieferprogramm/_tn/171_225_0_braun_
4_096.jpg
Variable Frequency Drive Co [en línea]. California. USA: VFD Distribution of WEG
& Baldor VFDs and Vector Inverter Drives & Motors, 2009 [consultado el 02 de
Agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://www.variablefrequencydrives.net/
Vibraciones para mantenimiento mecánico: Análisis de Maquinaria [en línea]
Medellín-Colombia: A-MAQ SA. 2009. [Consultado el 20 de agosto de 2009]
Disponible en internet: http://www.a-maq.com/
104